Історія виникнення ЕОМ

Четверте  покоління комп'ютерів

Четверте покоління  — ЕОМ на великих інтегрованих схемах.

Розвиток мікроелектроніки дав змогу розміщати на одному кристалі тисячі інтегрованих схем. Так, 1980 р. центральний процесор невеликої  ЕОМ вдалося розташувати на кристалі площею 1,6 см². Почалася епоха мікрокомп'ютерів. Швидкодія сучасної ЕОМ в десятки разів перевищує швидкодію ЕОМ третього покоління на інтегральних схемах, в 100 разів - швидкодію ЕОМ другого покоління на транзисторах та в 10 000 разів швидкодію ЕОМ першого покоління на електронних лампах. (мал. 1.12, 1.13)

Мал. 1.12

Мал. 1.13

П’яте покоління комп'ютерів

Нині створюються та розвиваються ЕОМ п'ятого покоління - ЕОМ на надвеликих інтегрованих схемах. Ці ЕОМ використовують нові рішення  у архітектурі комп'ютерної системи та принципи штучного інтелекту [7, с. 51].

У 1975 році в надрах Міністерства оборони США було прийнято рішення  про початок розробки універсальної  мови програмування. Міністр прочитав підготовлений секретарями історичний екскурс і без коливань схвалив  і сам проект, і передбачувану назву для майбутньої мови - "ада".

Герман Холлеріт (1860-1929), син німецьких емігрантів в США, сконструював в 1884 році табулятор –  електричну рахункову машину, що автоматизує  процес обробки даних при проведенні перепису населення. Вперше машина Холлеріта була випробувана в 1887 році. А в 1890 році вона перемогла в конкурсі машин для обробки даних перепису населення США. У цій машині використовувалися перфокарти як носії інформації. Заснована Холлерітом в 1887 р. фірма спеціалізувалася по випуску перфораторів. Ця фірма сьогодні носить назву IBM та є найбільшим в світі виробником комп'ютерів.

Вітчизняні механічні  машини. В Росії перший підсумовуючий  пристрій був виготовлений у 1770 р. часовим  майстром і механіком Е.Якобсоном. Сорок моделей оригінальних механізмів створив видатний російський математик і механік П.Л. Чєбишев і серед них арифмометр (1878 р.), особливістю якого було оригінальне пристосування для перенесення десятків з молодших розрядів в старші. Для свого часу це була сама довершена рахункова машина. Ідеї, закладені в цьому арифмометрі, лягли в основу багатьох сучасних обчислювальних пристроїв. У 1875 р. зручний механічний арифмометр сконструював петербурзький інженер В.Т.Однер. За короткий строк цей арифмометр завоював весь світ і на Всесвітній виставці в Парижі, влаштованій в переддень нового ХХ сторіччя, був удостоєний золотій медалі. Промисловий випуск арифмометрів в Росії почався в 1894 р. і продовжувався більше за 70 років. У 1912 р. О.М. Крилов створив механічний інтегратор для розв`язання інтегральних рівнянь. Для економічних та інженерних розрахунків в нашій країні в радянські часи використовувались арифмометри "Фелікс"[7, с. 53].

Початком ери обчислювальної техніки прийнято рахувати 1946 рік, рік  створення легендарного комп'ютера ENIAC, першої повномасштабної універсальної обчислювальної машини. ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) був побудований в університеті штату Пенсільванія. Творці найбільшого на той момент електронного пристрою використовували в нім понад 18 тис. електронних вакуумних трубок. Комп'ютер приголомшував уяву швидкістю обчислень: за одну секунду машина могла виконати 5000 операцій складання і 300 операцій множення, іншими словами, в 100, а то і в 1000 разів швидше за поширені у той час механічні і електромеханічні арифмометри.

Але ENIAC привертав увагу  не лише що дивувала учених швидкістю  обчислень, але і гнучким (хоча і  обмеженим) апаратом запису обчислювальних алгоритмів - кажучи сучасною мовою, був  програмованим пристроєм.

Завдяки цим своїм якостям ENIAC продемонстрував, що електронним обчислювальним пристроям під силу вирішення найважливіших завдань на зразок розробки водневої бомби; річ у тому, що дослідники Пенсільванського університету вели свої роботи ще з часів другої світової війни в рамках проекту військового відомства Project PX. Творцями ENIAC прийнято вважати Джона Маклі і Дж. Преспера Еккерта. Перший розробив архітектуру комп'ютера, другою втілив його ідею в життя.

Так, першими були американці, але це той окремий випадок, коли ми відстали від "них" зовсім на трохи. Мабуть, це і відставанням назвати не можна. Наші вчені приходять до ідеї цифрової електронної обчислювальної машини практично незалежно від західних і роблять абсолютно оригінальні розробки. Просто ідея ця дійсно носилася в повітрі. Енергетика, ядерна фізика, статистичні розрахунки, і в першу чергу військово-промисловий комплекс, постійно стикалися з необхідністю проводити складні розрахунки за мінімальний час [7, с. 55].

Не випадково, що батьки-засновники радянської обчислювальної техніки, Сергій Олександрович Лебедев і Ісаак Семенович Брук починали свою наукову діяльність в електроенергетиці і кожен з них в процесі своєї роботи прийшов до створення якогось рахункового пристрою, що дозволяв хоч трохи полегшити утомливі розрахунки. У Брука в лабораторії Енергетичного інституту АН СРСР з 1939 року працював механічний інтегратор для вирішення диференціальних рівнянь, а Лебедев в 1945 році для аналогічних завдань створив електронну аналогову машину.

Справжня історія радянської обчислювальної техніки починається в 1948 році. У серпні цього року з'являється проект автоматичної цифрової обчислювальної машини, по суті перший в СРСР проект ЕОМ з жорстким програмним управлінням. Його авторами були Брук і його молодий колега Башир Іськандаровіч Рамєєв, в майбутньому творець легендарних радянських ЕОМ серії "Урал". Зараз проект зберігається в Політехнічному музеї, і відвідувачі можуть поглянути, як виглядав "Урал-1".

Проекту Брука - Рамєєва  не призначено було втілитися в життя, але це була перша ластівка, офіційно запатентований винахід, і до лампового гіганта, що реально діє, в нашій країні залишалося зовсім небагато [8].

В кінці цього ж  самого 1948 років Лебедев, у той  час директор Інституту електротехніки АН України, починає роботу над малою електронною рахунковою машиною (МЕСМ), яка всього через два роки почала з успіхом вирішувати складні обчислювальні завдання. Продумувавши проект нової машини, Лебедев незалежно від Джона фон Неймана обґрунтовував принципи побудови ЕОМ з програмою, що зберігається в пам'яті. (мал. 1.14)

Мал. 1.14

По суті, 1948 рік поклав початок трьом основним радянським науковим школам у сфері обчислювальної техніки: школі Лебедева, що став основним ідеологом машин з високою  швидкодією, школі Брука який займався розробкою малих ЕОМ, і школі  Рамєєва, що управ, до кінця 60-х що очолював напрям, пов'язаний з обчислювальною технікою універсального призначення.

Проте 60 років тому, весною 1949 року, креслення найпершого радянського  комп'ютера МЕСМ стали "вдягатися  в залізо". Через півтора року, в січні 1951-го, урядова комісія підписала акт про прийняття цієї машини. Так з кібернетики було знято клеймо "продажної дівки імперіалізму". Запізнилися: західні конкуренти швидко йшли вперед, а "залізна завіса" прирекла радянські розробки на забуття. Принцип пристрою комп'ютера загального призначення практично не змінився з 1946 року, коли американець Джон фон Нейман (американський математик угорського походження, учасник Манхеттенського атомного проекту) опублікував статтю, в якій описав дизайн електронної машини. В історію це увійшло як "архітектура фон Неймана". Стаття ґрунтувалася на реальних комп'ютерах ENIAC і EDVAC, архітектура яких була розроблена в Університеті Пенсільванії Преспером Екертом і Джоном Мочлі в 1943–1947 роках. Одна з причин, чому "архітектура фон Неймана" не була названа іменами його розробників, полягє в тому, що проект ENIAC/EDVAC фінансувався армією США і був засекречений [12].

Машина фон Неймана  була електронним пристроєм, що послідовно виконував прості команди, які воно прочитувало з пам'яті. Такою командою могло бути складання двох чисел, вимога переслати число з одного елементу пам'яті в іншу або вибрати, які команди виконувати далі. Власне, з тих пір мало що змінилося: все програмне забезпечення, наприклад, Windows — це просто дуже довга послідовність таких команд. Величезні шафи з радіолампами 50-х або мініатюрний процесор в стільниковому телефоні XXI століття — це за великим рахунком один і той же пристрій — машина фон Неймана, тільки сучасні версії цього пристрою в мільярди разів швидші за свого прабатька.

Окрім прискорення роботи комп'ютерні дизайнери постійно винаходили трюки, що дозволяють скласти "цеглу" так, щоб виконати декілька операцій одночасно. Спочатку винайшли так звані  конвеєрні процесори, в яких обробка  кожної команди ділилася на простіші операції і робота над новою командою починалася, коли стара ще не закінчилася, подібно до заводського конвеєра при збірці автомобіля. Потім винайшли "суперскалярні процесори", в яких декілька команд, наприклад складання або порівняння чисел, витягувалися з пам'яті одночасно і оброблялися паралельно. Нарешті, для завдань типу розрахунку ядерних вибухів або прогнозу погоди придумали векторні процесори, які уміли однією командою оперувати сотнями чисел. "Батьком" першого радянського комп'ютера (як вже говорилося вище) став Сергій Олексійович Лебедєв з київського Інституту електротехніки — на той час він вже був академіком АН УРСР. У 1947 році він набрав в свою лабораторію групу недавніх випускників київського політехнічного інституту і до весни 1949-го побудував "невеликий" комп'ютер розміром 60 квадратних метрів, який він назвав "Макет електронно-рахункової машини" (МЕРМ).

 МЕРМ будувався  в будівлі колишнього монастиря  в передмісті Києва. Найбільшою  проблемою був брак радіоламп  — їх потрібно було близько 6000, і більшість ламп приходили бракованими. Проте в 1951 році комп'ютер почав працювати: виконував завдання за розрахунком балістики ракет. Не дивлячись на те що швидкість комп'ютера була всього 50 операцій в секунду, він став одним з наймогутніших комп'ютерів в Європі (швидше були тільки у Великобританії) [6, с. 70].

Після успіху МЕРМ Лебедєв  переїхав до Москви і незабаром став директором Інституту точної механіки і обчислювальної техніки (Нині Ітмівт РАН — Інститут точної механіки і обчислювальної техніки імені С.А. Лебедєва Російської академії наук). Тут було створено декілька машин, найбільш відомою з яких стала БЕСМ-6, випущена в 1968 році. БЕСМ-6 використовувала принцип конвеєрного процесора і могла здійснювати до 1 млн. операцій в секунду. Проте в США на той час вже були машини, здатні робити 3 млн. операцій в секунду, а в 1969 році з'явився комп'ютер CDC 7600 компанії Control Data Corporation, що вже працював із швидкістю 10 млн. операцій в секунду.

І радянська, і американські машини як і раніше були величезними за розміром, кожна була купою шаф, але вже в 60-і роки стали з'являтися і міні-комп’ютери — розміром із стіл.

Лебедєв конструював  і суто військові ЕОМ — для  першої, ще експериментальної системи  протиракетної оборони (ПРО).( мал. 1.15)

Мал. 1.15

У 60-х роках радянські  інженери створили декілька ліній комп'ютерів в Москві, Києві, Мінську, Єревані  і Пензі. Всі ці машини були несумісні  один з одним, і для кожної з  них доводилося писати всі програми наново. Тому в 1967 році радянський уряд прийняв рішення скопіювати кращі зразки західних комп'ютерів, щоб потім запозичувати для них програмне забезпечення на Заході. Хоча експорт технологій із США в СРСР був обмежений, КДБ отримувало західні дизайни за допомогою радянських шпигунів в IBM, а також організовувало підставні компанії для покупки західних комп'ютерів через країни третього світу. В результаті утворилися два сімейства радянських комп'ютерів — "великі" ЄС ЕОМ, скопійовані з IBM/360, і "малі" СМ ЕОМ, скопійовані з міні-комп'ютерів Hewlett-Packard і Digital Equipment. (мал. 1.16)

Мал. 1.16.

У радянських програмістів з'явилися цілком працездатні і  сумісні по програмному забезпеченню один з одним машини. Правда, що відставали від своїх американських попередників на 6–8 років.

Лебедєв зміг відстояти право на власні розробки і незадовго до своєї смерті в 1974 році ініціював проект суперкомп'ютера "Ельбрус" з суперскалярною архітектурою — якраз для вирішення завдань протиракетної оборони.

На жаль, багато елементів "Ельбрусу" вже були в передових західних комп'ютерах від CDC і Burroughs, а сам комп'ютер не набув широкого поширення, хоч і використовувався, наприклад, в космічному Центрі управління польотами. Крім того, "Ельбрус" не був найшвидшим комп'ютером свого часу — його перевершував американський векторний суперкомп'ютер Cray-1, випущений в 1976 році. Радянський уряд вирішив скопіювати Cray-1 маркою "Електроніка" СС БІС [4, с. 82].

Цей проект був невдачею епічних масштабів — комп'ютер запрацював тільки через 13 років після  свого заокеанського брата. До 1991 року було випущено 4 екземпляри машини, які виявилися не потрібними абсолютно нікому.

У 1970 році японської компанії Busicom знадобився процесор для свого  калькулятора, і вона замовила дизайн у молодої американської компанії Intel (мал. 1.16). В результаті був створений перший в історії мікропроцесор – 4 бітовий Intel 4004. У 1974 році з'явився 8-бітовий Intel 8080, а потім ціла купа мікропроцесорів від Motorola, Texas Instruments і інших компаній. В результаті в кінці 70-х на жителів Заходу хлинула хвиля "персоналок". У відповідь на цей радянський уряд накупило в Японії устаткування, і радянські інженери із затримкою в 5 років скопіювали спочатку Intel 8080, а потім могутніший Intel 8086, на якому вже можна було будувати аналоги що набирає популярність IBM РС.