Як тільки людина відкрила для себе поняття "кількість", він відразу ж почав підбирати інструменти, що оптимізують і полегшують рахунок. Сьогодні надпотужні комп`ютери, грунтуючись на принципах математичних обчислень, обробляють, зберігають і передають інформацію - найважливіший ресурс і двигун прогресу людства. Неважко скласти уявлення про те, як відбувався розвиток обчислювальної техніки, коротко розглянувши основні етапи цього процесу.
Основні етапи розвитку обчислювальної техніки
Найпопулярніша класифікація пропонує виділити основні етапи розвитку обчислювальної техніки за хронологічним принципом:
- Ручний етап. Він почався на зорі людської епохи і тривав до середини XVII століття. У цей період виникли основи рахунку. Пізніше, з формуванням позиційних систем числення, з`явилися пристосування (рахунки, абак, пізніше - логарифмічна лінійка), що роблять можливими обчислення за розрядами.
- Механічний етап. Почався в середині XVII і тривав майже до кінця XIX століття. Рівень розвитку науки в цей період зробив можливим створення механічних пристроїв, що виконують основні арифметичні дії і автоматично запам`ятовуючих старші розряди.
- Електромеханічний етап - найкоротший з усіх, які об`єднує історія розвитку обчислювальної техніки. Він тривав всього близько 60 років. Це проміжок між винаходом в 1887 році першого табулятора до 1946 року, коли виникла найперша ЕОМ (ENIAC). Нові машини, дія яких грунтувалося на електроприводі і електричному реле, дозволяли виконувати обчислення зі значно більшою швидкістю і точністю, проте процесом рахунку як і раніше повинен був керувати людина.
- Електронний етап розпочався у другій половині минулого століття і триває в наші дні. Це історія шести поколінь електронно-обчислювальних машин - від найперших гігантських агрегатів, в основі яких лежали електронні лампи, і до надпотужних сучасних суперкомп`ютерів з величезним числом паралельно працюючих процесорів, здатних одночасно виконати безліч команд.
Етапи розвитку обчислювальної техніки розділені за хронологічним принципом є досить умовним. У той час, коли використовувалися одні типи ЕОМ, активно створювалися передумови для появи таких.
Найперші пристосування для рахунку
Найбільш ранній інструмент для рахунку, який знає історія розвитку обчислювальної техніки, - десять пальців на руках людини. Результати рахунку спочатку фіксувалися за допомогою пальців, зарубок на дереві і камені, спеціальних паличок, вузликів.
З виникненням писемності з`являлися і розвивалися різні способи запису чисел, були винайдені позиційні системи числення (десяткова - в Індії, шестидесяткова - у Вавилоні).
Приблизно з IV століття до нашої ери стародавні греки стали вести рахунок за допомогою абака. Спочатку це була глиняна плоска дощечка з нанесеними на неї гострим предметом смужками. Рахунок здійснювався шляхом розміщення на цих смугах в певному порядку дрібних каменів або інших невеликих предметів.
У Китаї в IV столітті нашої ери з`явилися семікосточковие рахунки - суанпан (суаньпань). На прямокутну дерев`яну раму натягалися зволікання або мотузки - від дев`яти і більш. Ще одна зволікання (мотузка), натягнута перпендикулярно іншим, розділяла суанпан на дві нерівні частини. У більшому відділенні, іменованому "землею", на зволікання було нанизано по п`ять кісточок, в меншій - "небі" - їх було по дві. Кожна з зволікань відповідала десятичному розряду.
Традиційні рахунки соробан стали популярними в Японії з XVI століття, потрапивши туди з Китаю. В цей же час рахунки з`явилися і в Росії.
У XVII столітті на підставі логарифмів, відкритих шотландським математиком Джоном Непер, англієць Едмонд Гантер винайшов логарифмічну лінійку. Це пристрій постійно удосконалювалося і дожила до наших днів. Воно дозволяє множити і ділити числа, підносити до степеня, визначати логарифми і тригонометричні функції.
Логарифмічна лінійка стала приладом, завершальним розвиток засобів обчислювальної техніки на ручному (домеханіческом) етапі.
Перші механічні лічильні пристрої
У 1623 році німецьким вченим Вільгельмом Шиккардом був створений перший механічний "калькулятор", який він назвав вважають годинами. Механізм цього приладу нагадував звичайний вартовий, що складається з шестерень і зірочок. Однак відомо про цей винахід стало тільки в середині минулого століття.
Якісним стрибком в області технології обчислювальної техніки стало винахід підсумовує машини "Паскаліни" в 1642 році. Її творець, французький математик Блез Паскаль, почав роботу над цим пристроєм, коли йому не було й 20 років. "Паскаліна" представляла собою механічний прилад у вигляді шухлядки з великою кількістю взаємопов`язаних шестерень. Числа, які потрібно скласти, вводилися в машину поворотами спеціальних коліщаток.
У 1673 році саксонський математик і філософ Готфрід фон Лейбніц винайшов машину, що виконувала чотири основних математичних дії і вміла витягувати квадратний корінь. Принцип її роботи був заснований на двійковій системі числення, спеціально придуманої ученим.
У 1818 році француз Шарль (Карл) Ксав`є Тома де Кольмар, взявши за основу ідеї Лейбніца, винайшов арифмометр, що вміє множити і ділити. А ще через два роки англієць Чарльз Беббідж приступив до конструювання машини, яка здатна була б робити обчислення з точністю до 20 знаків після коми. Цей проект так і залишився незакінченим, проте в 1830 році його автор розробив інший - аналітичну машину для виконання точних наукових і технічних розрахунків. Керувати машиною передбачалося програмним шляхом, а для введення і виведення інформації повинні були використовуватися перфоровані карти з різним розташуванням отворів. Проект Беббіджа передбачив розвиток електронно-обчислювальної техніки і завдання, які зможуть бути вирішені за її допомогою.
Примітно, що слава першого в світі програміста належить жінці - леді Аді Лавлейс (в дівоцтві Байрон). Саме вона створила перші програми для обчислювальної машини Беббіджа. Її ім`ям згодом був названий один з комп`ютерних мов.
Розробка перших аналогів комп`ютера
У 1887 році історія розвитку обчислювальної техніки вийшла на новий етап. Американському інженерові Герману Голлеріта (Холлеріта) вдалося сконструювати першу електромеханічну обчислювальну машину - табулятор. В її механізмі було реле, а також лічильники і особливий сортувальний ящик. Прилад зчитував і сортував статистичні записи, зроблені на перфокартах. Надалі компанія, заснована Голлеріта, стала кістяком всесвітньо відомого комп`ютерного гіганта IBM.
У 1930 році американець Ванновар Буш створив диференційний аналізатор. У дію його приводило електрику, а для зберігання даних використовувалися електронні лампи. Ця машина здатна була швидко знаходити рішення складних математичних задач.
Ще через шість років англійським ученим Аланом Тьюрингом була розроблена концепція машини, що стала теоретичною основою для нинішніх комп`ютерів. Вона володіла всіма головними властивостями сучасного засоби обчислювальної техніки: могла покроково виконувати операції, які були запрограмовані у внутрішній пам`яті.
Через рік після цього Джордж Стибиц, вчений з США, винайшов перше в країні електромеханічний пристрій, здатний виконувати двоичное складання. Його дії ґрунтувалися на булевої алгебри - математичній логіці, створеної в середині XIX століття Джорджем Булем: використання логічних операторів І, АБО і НЕ. Пізніше двійковий суматор стане невід`ємною частиною цифрової ЕОМ.
У 1938 році співробітник університету в Массачусетсі Клод Шеннон виклав принципи логічного пристрою обчислювальної машини, яка застосовує електричні схеми для вирішення задач булевої алгебри.
Початок комп`ютерної ери
Уряди країн, що беруть участь у Другій світовій війні, усвідомлювали стратегічну роль обчислювальних машин у веденні військових дій. Це послужило поштовхом до розробок і паралельного виникнення в цих країнах першого покоління комп`ютерів.
Піонером в області комп`ютеробудування став Конрад Цузе - німецький інженер. У 1941 році ним був створений перший обчислювальний автомат, керований за допомогою програми. Машина, названа Z3, була побудована на телефонних реле, програми для неї кодировались на перфорованій стрічці. Цей апарат вмів працювати в двійковій системі, а також оперувати числами з плаваючою комою.
Першим дійсно працюють програмованим комп`ютером офіційно визнана наступна модель машини Цузе - Z4. Він також увійшов в історію як творець першого високорівневого мови програмування, що отримав назву "Планкалкюль".
У 1942 році американські дослідники Джон Атанасов (Атанасофф) і Кліффорд Беррі створили обчислювальний пристрій, яке працювало на вакуумних трубках. Машина також іспользовла двійкового коду, могла виконувати ряд логічних операцій.
У 1943 році в англійській урядової лабораторії, в обстановці секретності, була побудована перша ЕОМ, що отримала назву "Колос". У ній замість електромеханічних реле використовувалося 2 тис. Електронних ламп для зберігання і обробки інформації. Вона призначалася для злому і розшифровки коду секретних повідомлень, переданих німецької шифрувальної машиною "Енігма", яка широко застосовувалася вермахтом. Існування цього апарату ще довгий час трималося в суворій таємниці. Після закінчення війни наказ про його знищення був підписаний особисто Уїнстоном Черчиллем.
Розробка архітектури
У 1945 році американським математиком угорсько-німецького походження Джоном (Яношем Лайошем) фон Нейманом був створений прообраз архітектури сучасних комп`ютерів. Він запропонував записувати програму у вигляді коду безпосередньо в пам`ять машини, маючи на увазі спільне зберігання в пам`яті комп`ютера програм і даних.
Архітектура фон Неймана лягла в основу створюваного в той час в Сполучених Штатах першого універсального електронного комп`ютера - ENIAC. Цей гігант важив близько 30 тонн і розташовувався на 170 квадратних метрах площі. У роботі машини були задіяні 18 тис. Ламп. Цей комп`ютер міг виробити 300 операцій множення або 5 тис. Складання за одну секунду.
Перша в Європі універсальна програмована ЕОМ була створена в 1950 році в Радянському Союзі (Україна). Група київських вчених, очолювана Сергієм Олексійовичем Лебедєвим, сконструювала малу електронну лічильну машину (МЕСМ). Її швидкодія складала 50 операцій в секунду, вона містила близько 6 тис. Електровакуумних ламп.
У 1952 році вітчизняна обчислювальна техніка поповнилася БЕСМ - великий електронної лічильної машиною, також розробленої під керівництвом Лебедєва. Ця ЕОМ, яка виконувала в секунду до 10 тис. Операцій, була на той момент найшвидкодіючою в Європі. Введення інформації в пам`ять машини відбувався за допомогою перфострічки, виводилися дані за допомогою фотодруку.
В цей же період в СРСР випускалася серія великих ЕОМ під загальною назвою "Стріла" (автор розробки - Юрій Якович Базилевський). З 1954 року в Пензі почалося серійне виробництво універсальної ЕОМ "Урал" під керівництвом Башира Рамеева. Останні моделі були апаратно і програмно сумісні один з одним, був широкий вибір периферичних пристроїв, що дозволяє збирати машини різної комплектації.
Транзистори. Випуск перших серійних комп`ютерів
Однак лампи дуже швидко виходили з ладу, вельми ускладнюючи роботу з машиною. Транзистор, винайдений в 1947 році, зумів вирішити цю проблему. Використовуючи електричні властивості напівпровідників, він виконував ті ж завдання, що і електронні лампи, проте займав значно менший обсяг і витрачав не так багато енергії. Поряд з появою феритових сердечників для організації пам`яті комп`ютерів, використання транзисторів дало можливість помітно зменшити розміри машин, зробити їх ще надійніше і швидше.
У 1954 році американська фірма "Техас Инструментс" почала серійно виробляти транзистори, а два роки по тому в Массачусетсі з`явився перший побудований на транзисторах комп`ютер другого покоління - ТХ-О.
В середині минулого століття значна частина державних організацій і великих компаній використовувала комп`ютери для наукових, фінансових, інженерних розрахунків, роботи з великими масивами даних. Поступово ЕОМ набували знайомі нам сьогодні риси. У цей період з`явилися графічні, принтери, носії інформації на магнітних дисках і стрічці.
Активне використання обчислювальної техніки привело до розширення сфер її застосування і зажадало створення нових програмних технологій. з`явилися мови програмування високого рівня, що дозволяють переносити програми з однієї машини на іншу і спрощують процес написання коду ( "Фортран", "Кобол" та інші). З`явилися спеціальні програми-транслятори, перетворюють код з цих мов в команди, прямо сприймаються машиною.
Поява інтегральних мікросхем
У 1958-1960 роках, завдяки інженерам зі Сполучених Штатів Роберту Нойсу і Джеку Кілбі, світ дізнався про існування інтегральних мікросхем. На основі з кремнієвого або германієвого кристала монтувалися мініатюрні транзистори і інші компоненти, часом до сотні і тисячі. Мікросхеми розміром трохи більше сантиметра працювали набагато швидше, ніж транзистори, і споживали набагато менше енергії. З їх появою історія розвитку обчислювальної техніки пов`язує виникнення третього покоління ЕОМ.
У 1964 році фірмою IBM був випущений перший комп`ютер сімейства SYSTEM 360, в основу якого лягли інтегральні мікросхеми. З цього часу можна вести відлік масового випуску ЕОМ. Всього було вироблено понад 20 тис. Примірників даного комп`ютера.
У 1972 році в СРСР була розроблена ЄС (єдина серія) ЕОМ. Це були стандартизовані комплекси для роботи обчислювальних центрів, що мали загальну систему команд. За основу була взята американська система IBM 360.
У наступному році компанія DEC випустила міні-комп`ютер PDP-8, який став першим комерційним проектом в цій області. Відносно низька вартість міні-комп`ютерів дала можливість використовувати їх і невеликим організаціям.
В цей же період постійно удосконалювалося програмне забезпечення. Розроблялися операційні системи, орієнтовані на те, щоб підтримувати максимальну кількість зовнішніх пристроїв, з`являлися нові програми. У 1964 році розробили Бейсік - мова, призначена спеціально для підготовки початківців програмістів. Через п`ять років після цього виник Паскаль, який опинився дуже зручним для вирішення безлічі прикладних задач.
Персональні комп`ютери
Після 1970 року почався випуск четвертого покоління ЕОМ. Розвиток обчислювальної техніки в цей час характеризується впровадженням у виробництво комп`ютерів великих інтегральних схем. Такі машини тепер могли здійснювати за одну секунду тисячі мільйонів обчислювальних операцій, а ємність їх ОЗУ збільшилася до 500 мільйонів двійкових розрядів. Істотне зниження собівартості мікрокомп`ютерів призвело до того, що можливість їх купити поступово з`явилася у звичайної людини.
Одним з перших виробників персональних комп`ютерів стала компанія Apple. Що створили її Стів Джобс і Стів Возняк сконструювали першу модель ПК в 1976 році, давши їй назву Apple I. Вартість його склала всього 500 доларів. Через рік була представлена наступна модель цієї компанії - Apple II.
Комп`ютер цього часу вперше став схожим на побутовий прилад: крім компактного розміру, він мав витончений дизайн і інтерфейс, зручний для користувача. Поширення персональних комп`ютерів в кінці 1970 років призвело до того, що попит на великі ЕОМ помітно впав. Цей факт серйозно стурбував їх виробника - компанію IBM, і в 1979 році вона випустила на ринок свій перший ПК.
Два роки по тому з`явився перший мікрокомп`ютер цієї фірми з відкритою архітектурою, заснований на 16-розрядному мікропроцесорі 8088, виробленому компанією "Інтел". Комп`ютер комплектувався монохромним дисплеєм, двома дисководами для п`ятидюймових дискет, оперативною пам`яттю об`ємом 64 кілобайт. За дорученням компанії-творця фірма "Майкрософт" спеціально розробила операційну систему для цієї машини. На ринку з`явилися численні клони IBM PC, що підштовхнуло зростання промислового виробництва персональних ЕОМ.
У 1984 році компанією Apple був розроблений і випущений новий комп`ютер - Macintosh. Його операційна система була виключно зручною для користувача: представляла команди у вигляді графічних зображень і дозволяла вводити їх за допомогою маніпулятора - миші. Це зробило комп`ютер ще більш доступним, оскільки тепер від користувача не потрібно ніяких спеціальних навичок.
ЕОМ п`ятого покоління обчислювальної техніки деякі джерела датують 1992-2013 роками. Коротенько їх основна концепція формулюється так: це комп`ютери, створені на основі надскладних мікропроцесорів, які мають паралельно-векторну структуру, яка уможливлює одночасне виконання десятків послідовних команд, закладених в програму. Машини з декількома сотнями процесорів, що працюють паралельно, дозволяють ще більш точно і швидко обробляти дані, а також створювати ефективно працюючі мережі.
Розвиток сучасної обчислювальної техніки вже дозволяє говорити і про комп`ютери шостого покоління. Це електронні та оптоелектронні ЕОМ, що працюють на десятках тисяч мікропроцесорів, що характеризуються масовим паралелізмом і моделюють архітектуру нейронних біологічних систем, що дозволяє їм успішно розпізнавати складні образи.
Послідовно розглянувши всі етапи розвитку обчислювальної техніки, слід відзначити цікавий факт: винаходи, які добре зарекомендували себе на кожному з них, збереглися до наших днів і з успіхом продовжують використовуватися.
Класи обчислювальної техніки
Існують різні варіанти класифікації ЕОМ.
Так, за призначенням комп`ютери діляться:
- на універсальні - ті, які здатні вирішувати найрізноманітніші математичні, економічні, інженерно-технічні, наукові та інші завдання;
- проблемно-орієнтовані - вирішальні завдання більш вузького спрямування, пов`язані, як правило, з управлінням певними процесами (реєстрація даних, накопичення і обробка невеликих обсягів інформації, виконання розрахунків відповідно до нескладними алгоритмами). Вони мають більш обмеженими програмними і апаратними ресурсами, ніж перша група комп`ютерів;
- спеціалізовані комп`ютери вирішують, як правило, строго певні завдання. Вони мають вузькоспеціалізовану структуру і при відносно низькій складності пристрою і управління досить надійні і продуктивні в своїй сфері. Це, наприклад, контролери або адаптери, керуючі рядом пристроїв, а також програмовані мікропроцесори.
За розмірами і продуктивної потужності сучасна електронно-обчислювальна техніка ділиться:
- на надвеликі (суперкомп`ютери);
- великі комп`ютери;
- малі комп`ютери;
- сверхмалі (мікрокомп`ютери).
Таким чином, ми побачили, що пристрої, спочатку винайдені людиною для обліку ресурсів і цінностей, а потім - швидкого і точного проведення складних розрахунків і обчислювальних операцій, постійно розвивалися і удосконалювалися.
