Страницы истории науки и техники
Шрифт:
Перейдем теперь непосредственно к ЭВМ — устройствам или совокупностям устройств, назначением которых является обработка информации, выполнение вычислений.
Создание первых устройств и приспособлений, облегчающих выполнение операций счета, относится, по-видимому, к IV в. до н. э. В античном мире широко использовалось устройство «абак», которое можно считать прообразом канцелярских счетов. Разновидности счетов — «суань нинь» — применялись в Китае во II в. н. э. Римлянином Витрувием в I в. до н. э. было изобретено устройство для подсчета числа оборотов колеса — так называемый таксометр: при каждом обороте колеса выпадал камешек. Прибор аналогичного назначения у греков назывался годометром, в этом приборе имелся циферблат.
В 1617 г. шотландский математик Д. Непер создал «палочки Непера» — устройство, выполняющее умножение многозначных
Выдающийся вклад в развитие вычислительной техники внес английский математик Чарльз Беббидж (1792–1871). В 1822 г. он изготовил действующую модель машины, названной им «разностная машина», которая позволяла вычислять с точностью до восьми знаков значения полиномов второй степени. Эта машина отличалась от арифмометров Б. Паскаля и Г. Лейбница тем, что при переходе к расчетам следующего значения функции не требовалось вмешательства человека. В 1833 г. Ч. Беббидж задумал создать «аналитическую машину», которая могла бы не только выполнять один раз заданное действие, по и осуществлять целую программу вычислений. Машина Беббиджа содержала все основные части современных вычислительных машин. Ее универсальные возможности были доказаны леди Лавлайс, дочерью поэта Байрона. Эта женщина, разработавшая первые программы для машины Беббиджа, не без основания считается первым программистом в мире. Здесь следует сказать, что Беббидж был первым, кто догадался использовать для записи команд и чисел в машине набор отверстий, выбиваемых определенным образом на карточке или ленте. Этот перфорационный принцип он заимствовал у французского изобретателя Ж. М. Жаккара, применявшего его на своем ткацком станке для производства тканей со сложным узором. Программы, составленные леди Лавлайс, показывали, как правила для расчета различных функций должны были быть переведены на язык перфокарт.
Проект Ч. Беббиджа опережал технические возможности его реализации и не привлек внимания инженеров. Лишь примерно через 100 лет конструкторы вернулись к идеям Беббиджа.
Важное место в истории вычислительной техники занимает Герман Холлерит, который использовал для обработки результатов переписи населения США в 1890 г. созданную им машину и перфокарту как носитель информации. Интересно отметить, что подобные машины впервые использовались в России в 1897 г. для обработки результатов переписи населения.
С именем Холлерита связано также основание первой фирмы, специализирующейся на производстве перфокарт и счетно-перфорационных устройств. Впоследствии эта фирма была преобразована в фирму IВМ — ныне одну из крупнейших в мире по производству ЭВМ.
Несмотря на то что все, казалось бы, предпосылки для создания быстродействующих счетных машин были налицо, первые ЭВМ появились лишь в 40-х годах нашего столетия. Это объяснялось необходимостью создания как адекватного теоретического базиса, так и соответствующих технических систем, основанных на радиоэлектронике. В конце 30-х годов английский математик А. Тьюринг показал, что различные проблемы могут быть решены с помощью машин, если эти проблемы или задачи могут быть выражены посредством конечного числа операций. В 1940 г. американскому математику Норберту Винеру приходит мысль использовать в вычислительных машинах не десятичную систему счисления, а двоичную (в этом случае любое число можно записать с помощью только двух цифр — единицы и нуля, например 2 запишется как 10, а 9 — как 1001), так чтобы главная часть машины имела дело не с арифметическими, а с логическими операциями. С тех пор двоичная система счисления, позволяющая записать любое число посредством комбинации нулей и единиц, равно как и бинарная логика (разработанная Джорджем Булем еще в прошлом веке), оперирующая суждениями, которые могут быть разложены на последовательность вопросов, требующих ответа лишь в форме «да» или «нет» («да» можно обозначить единицей, а «нет» — нулем), стала играть ключевую роль в вычислительной технике.
В то же самое время, а именно к концу 30-х годов, относятся и первые попытки использовать в вычислительных машинах электронные элементы. Вопрос состоял в том, как моделировать логические элементы машины. Это можно было делать с помощью электромеханических реле, но в таком случае скорость счета машины оставалась невысокой — порядка сотен и тысяч миллисекунд на одну операцию. Такая скорость была характерна для первых вычислительных машин, построенных в 40-х годах. Использование электронных ламп для конструирования логических элементов позволило повысить быстродействие машин на три порядка. Первая ЭВМ, использующая триггеры (логические элементы) на электровакуумных триодах, ЭНИАК (сокращение от английского названия «электронный числовой интегратор и вычислитель»), была создана в Пенсильванском университете в 1945 г. под руководством Дж. Маучли. Несмотря на то что ее работа была основана на десятичной системе счисления, ее быстродействие казалось тогда фантастическим — 0,2 мс на операцию (сложения).
1946 год явился в значительной степени переломным для развития вычислительной техники. Известный американский математик и физик Джон фон Нейман выдвинул и обосновал перспективы создания новых ЭВМ, в них предполагался переход на двоичную систему счисления, а также ввод и хранение программы в памяти ЭВМ аналогично данным. Идеи Неймана и постройка под его руководством новой ЭВМ — ЭДВАК — оказали существенное влияние на дальнейшее развитие вычислительной техники. Заметим, что быстродействие новой машины в четыре с лишним раза превышало быстродействие ЭНИАКа.
Прогресс вычислительной техники в 1940–1950 гг. был обусловлен появлением целого ряда работ по численному анализу. Кроме того, весьма важной оказалась возможность выражения в математических терминах способности машины принимать оптимальные решения, которая следовала из книги фон Неймана и О. Моргенштарна «Теория игр и оптимальное поведение», вышедшей в 1944 г. Наконец, К. Шенноном и Н. Винером были развиты представления, послужившие основой современной теории связи. Винер пришел к выводу, что математический оператор можно рассматривать как часть механизма управления и что к нему, в свою очередь, приложимы такие понятия, как обратная связь и стабильность, которые были введены для описания механических систем и электрических цепей. Идеи Винера, изложенные в его знаменитой книге «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине», появившейся в 1948 г., оказались весьма продуктивными, и с их помощью удалось создать общую теорию информации и связи, применимую в самых различных областях — от физики до биологии и языкознания.
В развитии теории информации сыграли важную роль советские ученые А. Н. Колмогоров и А. Я. Хин-чин.
В СССР разработка первой отечественной ЭВМ с запоминаемой программой началась в 1947 г. в Киеве, в Институте электротехники АН УССР, под руководством академика С. А. Лебедева (1902–1974). Практическое использование этой машины, названной МЭСМ (малая электронная счетная машина), началось в 1951 г.
Серийное производство ЭВМ началось практически одновременно в СССР и США: прототипы первых отечественных машин — БЭСМ-1, «Стрела», М-2 — были созданы в 1952–1953 гг.; в США первые серийные машины появились в 1951 г. — IВМ-701 и Univac.
Парк ЭВМ увеличивался очень высокими темпами. Если в 1952–1953 гг. число электронных машин исчислялось десятками, то в 1965 г. во всем мире использовалось уже около 40 тыс. ЭВМ, в 1970 г. — свыше 100 тыс.
Говоря об областях применения первых цифровых ЭВМ, следует отметить, что наряду с научными расчетами достаточно четко обозначилась другая весьма обширная область применения ЭВМ — экономические расчеты. Появились ЭВМ, специально сконструированные для этих целей. В основном это были машины последовательного действия: последовательно выполняющие операции над десятичными числами, представленными в двоичной форме, т. е. использовали так называемую десятичную двоично-кодированную систему счисления. Особенностью этих машин является также то, что они обладают большими, по сравнению с ЭВМ для научных расчетов возможностями обработки буквенной информации. Машины этого типа получили широкое распространение.