История вычислительной техники

Вычислительное оборудование - это платформа для обработки информации .

История вычислительной техники охватывает события от начала простых устройств для помощи расчета на современные дневные компьютеры . До 20 века большинство расчетов производилось людьми. Ранние механические инструменты, помогавшие людям с цифровыми вычислениями, такие как счеты , назывались вычислительными машинами или калькуляторами (и другими собственными названиями). Машиниста называли компьютером .

Первыми вспомогательными средствами вычислений были чисто механические устройства, которые требовали от оператора установки начальных значений элементарной арифметической операции, а затем манипулирования устройством для получения результата. Позже компьютеры представляли числа в непрерывной форме (например, расстояние по шкале, вращение вала или напряжение ). Числа также могут быть представлены в виде цифр, которыми автоматически управляет механизм. Хотя этот подход обычно требовал более сложных механизмов, он значительно повышал точность результатов. Развитие транзисторной техники, а затем интегральной схемыЧип привел к ряду прорывов, начиная с транзисторных компьютеров, а затем и с компьютеров на интегральных схемах, в результате чего цифровые компьютеры в значительной степени вытеснили аналоговые . Затем крупномасштабная интеграция (БИС) металл-оксид-полупроводник (МОП) позволила создать полупроводниковую память и микропроцессор , что привело к еще одному ключевому прорыву - миниатюрному персональному компьютеру (ПК) в 1970-х годах. Стоимость компьютеров постепенно становилась настолько низкой, что к 1990-м годам персональные компьютеры, а затем и мобильные компьютеры ( смартфоны и планшеты ) в 2000-е годы стали повсеместными.

Ранние устройства [ править ]

Древние и средневековые [ править ]

Устройства использовались для помощи в вычислениях на протяжении тысяч лет, в основном с использованием взаимно однозначного соответствия с пальцами . Самое раннее устройство для подсчета, вероятно, было формой счетной палочки . Lebombo кость с гор между Свазилендом и Южной Африкой может быть самым старым известным математическим артефактом. ^[2] Он датируется 35000 г. до н.э. и состоит из 29 различных вырезов , которые были преднамеренно вырезанными в бабуин «ы малоберцового . ^{[3] [4]} Более поздние средства ведения документации по всему Плодородному полумесяцувключали камни (глиняные сферы, конусы и т. д.), которые представляли собой количество предметов, вероятно, домашнего скота или зерна, запечатанных в полых необожженных глиняных контейнерах. ^{[b] [6] [c]} Использование счетных стержней является одним из примеров. Абак был рано использовать для арифметических задач. То, что мы сейчас называем римскими счетами, использовалось в Вавилонии еще в ок. 2700–2300 гг. До н. Э. С тех пор было изобретено множество других форм счетных досок или столов. В средневековой европейской счетной палате клетчатая ткань помещалась на стол, и маркеры перемещались по ней в соответствии с определенными правилами для помощи при подсчете денежных сумм.

Несколько аналоговых компьютеров были построены в древние и средневековые времена для выполнения астрономических расчетов. К ним относятся астролябия и антикиферский механизм из эллинистического мира (ок. 150–100 до н. Э.). ^[8] В римский Египет , Герон Александрийский (ок. 10-70 г. н.э.) сделал механические устройства , в том числе автоматов и программируемым корзину. ^[9] Другие ранние механические устройства, используемые для выполнения того или иного типа вычислений, включают планисферу и другие механические вычислительные устройства, изобретенные Абу Райханом аль-Бируни (около 1000 г. н.э.); экваториуми универсальная не зависящая от широты астролябия Абу Исхака Ибрахима аз-Заркали (ок. 1015 г.); астрономические аналоговые компьютеры других средневековых мусульманских астрономов и инженеров; и астрономические башенные часы из Su Song (1094) во время династии Сун . Часы замок , A hydropowered механические астрономические часы изобретен Ismail аль-Джазари в 1206 году , был первым программируемым аналоговым компьютером. ^{[10] [11] [12]} Рамон Лулльизобрел Луллианский круг: условную машину для вычисления ответов на философские вопросы (в данном случае, связанные с христианством) с помощью логической комбинаторики. Эта идея была подхвачена Лейбницем столетия спустя и, таким образом, является одним из основополагающих элементов вычислительной техники и информатики .

Инструменты вычисления эпохи Возрождения [ править ]

Шотландский математик и физик Джон Нэпьер обнаружил, что умножение и деление чисел можно производить путем сложения и вычитания соответственно логарифмов этих чисел. Создавая первые логарифмические таблицы, Нэпьеру пришлось выполнить множество утомительных умножений. Именно в этот момент он разработал свои «кости Напьера », устройство, похожее на счеты, которое значительно упростило вычисления, включающие умножение и деление. ^[d]

Поскольку действительные числа могут быть представлены в виде расстояний или интервалов на линии, логарифмическая линейка была изобретена в 1620-х годах, вскоре после работы Напьера, чтобы позволить выполнять операции умножения и деления значительно быстрее, чем это было возможно раньше. ^[13] Эдмунд Гюнтер построил вычислительное устройство с единственной логарифмической шкалой в Оксфордском университете . Его устройство значительно упростило арифметические вычисления, включая умножение и деление. Уильям Отред значительно улучшил это в 1630 году с помощью своей круговой логарифмической линейки. В 1632 году он разработал современную логарифмическую линейку, представляющую собой комбинацию двух правил Гюнтера., держится вместе руками. Правила скольжения использовались поколениями инженеров и других профессиональных математиков, до изобретения карманного калькулятора . ^[14]

Механические калькуляторы [ править ]

Вильгельм Шикард , немецкий эрудит , в 1623 году сконструировал счетную машину, которая объединила стержни Напье в механизированной форме с первой в мире механической счетной машиной, встроенной в основание. Поскольку в нем использовалась однозубая шестерня, в некоторых случаях его переносной механизм заклинивал. ^[15] Пожар уничтожил по крайней мере одну из машин в 1624 году, и считается, что Шикард был слишком разочарован, чтобы построить еще одну.

В 1642 году, будучи еще подростком, Блез Паскаль начал новаторскую работу над вычислительными машинами и после трех лет усилий и 50 прототипов ^[16] изобрел механический калькулятор . ^{[17] [18]} Он построил двадцать таких машин (называемых калькулятором Паскаля или Паскалином) за следующие десять лет. ^[19] Сохранилось девять паскалинов, большинство из которых выставлено в европейских музеях. ^[20] Продолжаются споры о том, следует ли считать Шикарда или Паскаль «изобретателем механического калькулятора», и круг вопросов, которые необходимо учитывать, обсуждается в другом месте. ^[21]

Готфрид Вильгельм фон Лейбниц изобрел ступенчатый счетчик и свой знаменитый ступенчатый барабанный механизм примерно в 1672 году. Он попытался создать машину, которую можно было бы использовать не только для сложения и вычитания, но и с подвижной кареткой для длительного умножения и деления. Лейбниц однажды сказал, что «недостойно отличных людей тратить часы, как рабы, на работу по расчету, которую можно было бы спокойно переложить на кого-то другого, если бы использовались машины». ^[22] Однако Лейбниц не использовал полностью успешный механизм переноса. Лейбниц также описал двоичную систему счисления , ^[23] центральный ингредиент всех современных компьютеров. Однако вплоть до 1940-х годов многие последующие разработки (в том числеМашины Чарльза Бэббиджа 1822 года и даже ENIAC 1945 года) были основаны на десятичной системе счисления. ^[e]

Примерно в 1820 году Чарльз Ксавье Томас де Кольмар создал то, что в течение оставшейся части столетия стало первым успешным серийным механическим калькулятором, арифмометром Томаса . Его можно было использовать для сложения и вычитания, а с подвижной кареткой оператор мог также умножать и делить с помощью процесса длинного умножения и длинного деления. ^[24] В нем использовался ступенчатый барабан, аналогичный по концепции изобретенному Лейбницем. Механические калькуляторы использовались до 1970-х годов.

Обработка данных перфокарт [ править ]

В 1804 году французский ткач Жозеф Мари Жаккард разработал ткацкий станок, на котором ткацкий узор контролировался бумажной лентой, созданной из перфокарт . Бумажную ленту можно было заменить без изменения механической конструкции ткацкого станка. Это было знаменательное достижение в области программирования. Его машина была улучшением по сравнению с аналогичными ткацкими станками. Перфокартам предшествовали перфокарты, как в машине, предложенной Базилем Бушоном . Эти группы будут вдохновлять на запись информации для автоматических пианино и станков с числовым программным управлением .

В конце 1880-х годов американец Герман Холлерит изобрел хранилище данных на перфокартах, которые затем могли быть прочитаны машиной. ^[25] Для обработки этих перфокарт он изобрел табулятор и машину для перфорации . В его машинах использовались электромеханические реле и счетчики . ^[26] Метод Холлерита использовался при переписи населения США 1890 года . Эта перепись была обработана на два года быстрее, чем предыдущая. ^{[27] Компания} Холлерита в конечном итоге стала ядром IBM .

К 1920 году электромеханические счетные машины могли складывать, вычитать и печатать накопленные итоги. ^[28] Функции машины управлялись путем вставки десятков проволочных перемычек в съемные панели управления . Когда в 1935 году в Соединенных Штатах было введено социальное обеспечение , системы перфокарт IBM использовались для обработки записей о 26 миллионах рабочих. ^[29] Перфокарты стали повсеместными в промышленности и правительстве для бухгалтерского учета и администрирования.

В статьях Лесли Комри о методах перфокарт и в публикации У. Дж. Экерта « Методы перфокарт в научных вычислениях» в 1940 году описаны методы перфокарт, достаточно продвинутые для решения некоторых дифференциальных уравнений ^[30] или выполнения умножения и деления с использованием представлений с плавающей запятой. , все на перфокартах и записывающих машинах . Такие машины использовались во время Второй мировой войны для криптографической статистической обработки, а также в большом количестве административных целей. Бюро астрономических вычислений Колумбийского университета выполнило астрономические расчеты, отражающие современное состояние вычислительной техники . ^{[31] [32]}

Калькуляторы [ править ]

К 20-му веку более ранние механические калькуляторы, кассовые аппараты, бухгалтерские машины и т. Д. Были переработаны для использования электродвигателей с положением шестерни в качестве представления состояния переменной. Слово «компьютер» было названием должности, присвоенным в основном женщинам, которые использовали эти калькуляторы для выполнения математических расчетов. ^[33] К 1920-м годам интерес британского ученого Льюиса Фрая Ричардсона к предсказанию погоды привел к тому, что он предложил человеческие компьютеры и численный анализ для моделирования погоды; по сей день необходимы самые мощные компьютеры на Земле , чтобы адекватно моделировать погоду с использованием уравнений Навье – Стокса . ^[34]

Такие компании, как Friden , Marchant Calculator и Monroe, производили настольные механические калькуляторы 1930-х годов, которые могли складывать, вычитать, умножать и делить. ^[35] В 1948 году курта была представлена ​​австрийским изобретателем Куртом Херцстарком . Это был маленький, ручной коленчатые механический калькулятор и как таковой, потомок Лейбниц «с Арифмометр Лейбница и Томаса » ы арифмометр .

Первым в мире полностью электронным настольным калькулятором был британский Bell Punch ANITA , выпущенный в 1961 году. ^{[36] [37]} В его схемах использовались вакуумные лампы , лампы с холодным катодом и декатроны , а также 12 ламп с холодным катодом "Nixie" для его отображение. ANITA продается хорошо , так как это был единственный электронный калькулятор рабочего стола доступны, и было тихо и быстро. В июне 1963 года ламповая технология была заменена производимой в США Friden EC-130, которая имела полностью транзисторную конструкцию, набор из четырех 13-значных чисел, отображаемых на 5-дюймовом (13 см) ЭЛТ , и вводил обратную польскую нотацию. (РПН).

Первое универсальное вычислительное устройство [ править ]

Чарльз Бэббидж , английский инженер-механик и эрудит , создал концепцию программируемого компьютера. Считающийся « отцом компьютера » ^[38], он концептуализировал и изобрел первый механический компьютер в начале 19 века. После работы над своей революционной разностной машиной , предназначенной для помощи в навигационных расчетах, в 1833 году он понял, что возможна гораздо более общая конструкция - аналитическая машина . Ввод программ и данных должен был осуществляться в машину через перфокарты , метод, который в то время использовался для управления механическими ткацкими станками, такими как жаккардовый ткацкий станок.. Для вывода машина будет иметь принтер, плоттер кривых и звонок. Машина также сможет вводить числа на карточки, чтобы их можно было прочитать позже. Он использовал обычную арифметику с фиксированной запятой по основанию 10 .

Движок включал в себя арифметико-логический блок , поток управления в форме условного ветвления и циклов и интегрированную память , что делало его первым проектом универсального компьютера, который в современных терминах можно описать как полный по Тьюрингу . ^{[39] [40]}

Должно было быть хранилище, или память, способная хранить 1000 чисел по 40 десятичных цифр каждое (около 16,7 КБ ). Арифметический блок , называемый «мельницей», будет иметь возможность выполнять все четыре арифметических операции , плюс сравнение и необязательно квадратные корни . Первоначально он был задуман как разностный двигатель, загнутый назад, в целом круглой формы ^[41] с длинным магазином, выходящим в одну сторону. (На более поздних рисунках изображена упорядоченная сетка.) ^[42] Подобно центральному процессору (ЦП) в современном компьютере, комбинат будет полагаться на свои собственные внутренние процедуры, примерно эквивалентные микрокоду.в современных процессорах, которые должны храниться в виде штифтов, вставленных во вращающиеся барабаны, называемые «барабанами», для выполнения некоторых из более сложных инструкций, которые может указывать программа пользователя. ^[43]

Язык программирования, который использовали пользователи, был сродни современным языкам ассемблера . Были возможны циклы и условное ветвление, и поэтому язык в его задуманном виде был бы полным по Тьюрингу, как позже определил Алан Тьюринг . Использовались перфокарты трех различных типов: один для арифметических операций, один для числовых констант и один для операций загрузки и сохранения, передачи чисел из хранилища в арифметические единицы или обратно. Для трех типов карт было три отдельных считывателя.

Машина опередила свое время примерно на столетие. Однако реализация проекта тормозилась из-за различных проблем, в том числе споров с главным слесарем по сборке деталей. Все детали для его машины приходилось изготавливать вручную - это была серьезная проблема для машины, состоящей из тысяч деталей. В конце концов, проект был ликвидирован решением правительства Великобритании прекратить финансирование. Неспособность Бэббиджа завершить работу над аналитической машиной в основном объясняется не только политическими и финансовыми трудностями, но и его желанием разработать все более совершенный компьютер и двигаться вперед быстрее, чем кто-либо другой мог бы последовать. Ада Лавлейс перевела и добавила примечания к « Очерку аналитической машины » Луиджи Федерико Менабреа.. Похоже, что это первое опубликованное описание программирования, поэтому Ада Лавлейс считается первым программистом. ^[44]

Следом за Бэббиджем, хотя и не знавшим о его более ранней работе, был Перси Ладгейт , клерк торговца кукурузой в Дублине, Ирландия. Он независимо разработал программируемый механический компьютер, который он описал в работе, опубликованной в 1909 году ^{[45] [46].}

Аналоговые компьютеры [ править ]

В первой половине 20-го века многие считали аналоговые компьютеры будущим вычислительной техники. Эти устройства использовали постоянно изменяющиеся аспекты физических явлений, такие как электрические , механические или гидравлические величины, для моделирования решаемой проблемы, в отличие от цифровых компьютеров, которые символически представляли переменные величины по мере изменения их числовых значений. Поскольку аналоговый компьютер не использует дискретные значения, а скорее непрерывные значения, процессы не могут быть надежно повторены с точной эквивалентностью, как это возможно с машинами Тьюринга . ^[47]

Первым современным аналоговым компьютером была машина для прогнозирования приливов , изобретенная сэром Уильямом Томсоном , позже лордом Кельвином, в 1872 году. В ней использовалась система шкивов и тросов для автоматического расчета прогнозируемых уровней приливов на заданный период в определенном месте и была отличная полезность для плавания на мелководье. Его устройство стало основой для дальнейших разработок в области аналоговых вычислений. ^[48]

Дифференциальный анализатор , механический аналоговый компьютер , предназначенный для решения дифференциальных уравнений путем интегрирования с использованием механизмов колесно-дисков, была задумана в 1876 году Джеймсом Томсоном , брат более известного лорда Кельвина. Он исследовал возможную конструкцию таких калькуляторов, но был загнан в тупик из-за ограниченного выходного крутящего момента шаровых интеграторов . ^[49] В дифференциальном анализаторе выход одного интегратора управлял входом следующего интегратора или выводом графика.

Важное достижение в аналоговой вычислительной технике была разработкой первых систем управления огнем для дальнего корабля gunlaying . Когда в конце 19 века дальность стрельбы резко увеличилась, расчет точной точки прицеливания с учетом времени полета снарядов перестал быть простым делом. Различные наблюдатели на борту корабля будут передавать измерения расстояния и наблюдения на центральную станцию ​​построения графиков. Там команды направления огня вводили местоположение, скорость и направление корабля и его цели, а также различные корректировки для эффекта Кориолиса , погодных эффектов в воздухе и других корректировок; компьютер затем выдавал решение для стрельбы, которое подавалось в турели для наведения. В 1912 году британский инженерАртур Поллен разработал первый механический аналоговый компьютер с электрическим приводом (в то время он назывался «Часы Арго»). ^{[ необходима цитата ]} Он использовался Императорским флотом России во время Первой мировой войны . ^{[ необходима цитата ]} Альтернативная система управления огнем Dreyer Table была установлена ​​на британских крупных кораблях к середине 1916 года.

Механические устройства также использовались для повышения точности воздушных бомбардировок . Drift Sight был первым подобным средством помощи, разработанным Гарри Вимперисом в 1916 году для Королевской военно-морской авиации ; он измерил скорость ветра в воздухе и использовал это измерение для расчета влияния ветра на траекторию бомб. Позднее система была улучшена с помощью прицела для установки курса и достигла апогея с прицелом для бомб Второй мировой войны, бомбовым прицелом Mark XIV ( командование бомбардировщиков Королевских ВВС ) и Norden ^[50] ( ВВС США ).

Искусство механической аналоговой вычислительной техники достигло зенита с дифференциального анализатора , ^[51] , построенный HL Hazen и Ванневар Бушем в MIT , начиная с 1927 года, который построен на механические интеграторы Джеймса Томсона и усилителей крутящего момента , изобретенных HW Nieman. Десяток таких устройств были построены до того, как их устаревание стало очевидным; самый мощный был построен в Университете Пенсильвании «s Мур школа электротехники , где ENIAC был построен.

Полностью электронный аналоговый компьютер был построен Гельмутом Хёльцером в 1942 году в Исследовательском центре армии Пенемюнде . ^{[52] [53] [54]}

К 1950-м годам успех цифровых электронных компьютеров положил конец большинству аналоговых вычислительных машин, но гибридные аналоговые компьютеры , управляемые цифровой электроникой, продолжали активно использоваться до 1950-х и 1960-х годов, а затем и в некоторых специализированных приложениях.

Появление цифрового компьютера [ править ]

Принцип современного компьютера был впервые описан компьютерным ученым Аланом Тьюрингом , который изложил идею в своей основополагающей статье 1936 года ^[55] О вычислимых числах . Тьюринг переформулировал результаты Курта Гёделя 1931 года о пределах доказательства и вычислений, заменив универсальный формальный язык Гёделя, основанный на арифметике, формальными и простыми гипотетическими устройствами, которые стали известны как машины Тьюринга . Он доказал, что такая машина была бы способна выполнять любые мыслимые математические вычисления, если бы ее можно было представить в виде алгоритма . Далее он доказал, что проблема Entscheidungs не может быть решена , сначала показав, чтоПроблема остановки для машин Тьюринга неразрешима : в общем случае невозможно решить алгоритмически, остановится ли когда-либо данная машина Тьюринга.

Он также ввел понятие «универсальной машины» (теперь известной как универсальная машина Тьюринга ) с идеей, что такая машина может выполнять задачи любой другой машины, или, другими словами, она доказуемо способна вычислять все, что вычисляется путем выполнения программы, хранящейся на ленте, что позволяет программировать машину. Фон Нейман признал, что основная концепция современного компьютера возникла благодаря этой статье. ^[56] Машины Тьюринга и по сей день являются центральным объектом изучения теории вычислений . За исключением ограничений, налагаемых их конечным объемом памяти, современные компьютеры считаются полными по Тьюрингу , то есть у них есть алгоритмвозможность выполнения эквивалентна универсальной машине Тьюринга .

Электромеханические компьютеры [ править ]

Эра современных вычислений началась с бурного развития до и во время Второй мировой войны. Большинство цифровых компьютеров, построенных в этот период, были электромеханическими - электрические переключатели приводили в действие механические реле для выполнения расчетов. Эти устройства имели низкую скорость работы и в конечном итоге были заменены гораздо более быстрыми полностью электрическими компьютерами, первоначально использовавшими электронные лампы .

Z2 был один из самых ранних примеров электромеханического реле компьютера , и был создан немецким инженером Конрадом Цузе в 1940 году было улучшение его ранее Z1 ; хотя он использовал ту же механическую память , он заменил арифметическую и управляющую логику электрическими релейными схемами. ^[57]

В том же году британские криптологи построили электромеханические устройства, названные бомбами , чтобы помочь расшифровать секретные сообщения, зашифрованные немецкой машиной Enigma во время Второй мировой войны . Первоначальный дизайн Бомбы был создан в 1939 году в Великобритании правительство кодекса и Cypher School (GC & CS) в Блетчли - Парк на Алана Тьюринга , ^[58] с важным уточнением , разработанной в 1940 году Уэлчман . ^[59] Инженерным проектированием и строительством занимался Гарольд Кин из британской компании по производству табуляторов. . Это было значительное развитие с устройства, которое было спроектировано в 1938 году Cipher бюро польского криптолог Мариан Реевски , и известный как « Криптологических бомбы » ( польский : «Бомба kryptologiczna» ).

В 1941 году Цузе последовал его ранее машину вверх с Z3 , ^[57] в мире первый рабочий электромеханический программируемый , полностью автоматический цифровой компьютер. ^[60] Z3 был построен с 2000 реле с длиной слова 22 бита, которые работали с тактовой частотой около 5–10  Гц . ^[61] Программный код и данные хранились на перфорированной пленке . В некоторых отношениях он был очень похож на современные машины, являясь пионером в многочисленных достижениях, таких как числа с плавающей запятой . Замена сложной десятичной системы счисления (используется вБолее ранний проект Чарльза Бэббиджа ) более простой двоичной системой означал, что машины Цузе были проще в сборке и потенциально более надежны с учетом технологий, доступных в то время. ^[62] Рауль Рохас в 1998 году доказал, что Z3 является полной машиной по Тьюрингу . ^[63] В двух патентных заявках 1936 года Цузе также предполагал, что машинные инструкции могут храниться в том же хранилище, которое используется для данных - ключевое понимание того, что стало известно как архитектура фон Неймана , впервые реализованная в 1948 году в Америке в электромеханической системе IBM SSEC. и в Британии в полностью электронном Манчестер Бэби . ^[64]

Цузе потерпел неудачу во время Второй мировой войны, когда некоторые из его машин были уничтожены в ходе бомбардировок союзников . Очевидно, его работа оставалась в значительной степени неизвестной инженерам в Великобритании и США до гораздо более позднего времени, хотя, по крайней мере, IBM знала об этом, поскольку в 1946 году финансировала его послевоенную стартап-компанию в обмен на опцион на патенты Цузе.

В 1944 году Harvard Mark I был построен в лабораториях IBM Endicott. ^[65] Это был электромеханический компьютер общего назначения, аналогичный Z3, но не совсем по Тьюрингу.

Цифровые вычисления [ править ]

Термин «цифровой» был впервые предложен Джорджем Робертом Стибицем и относится к тем случаям, когда сигнал, например напряжение, используется не для прямого представления значения (как это было бы в аналоговом компьютере ), а для его кодирования. В ноябре 1937 года Джордж Стибиц, тогда работавший в Bell Labs (1930–1941), ^[66] завершил релейный калькулятор, который позже назвал « Модель K » (от « k itchen table», на котором он его собрал). , который стал первым двоичным сумматором . ^[67] Обычно сигналы имеют два состояния - низкое (обычно представляет 0) и высокое (обычно представляет 1), но иногда трехзначная логика.используется, особенно в памяти высокой плотности. Современные компьютеры обычно используют двоичную логику , но многие ранние машины были компьютерами с десятичным числом . В этих машинах основной единицей данных была десятичная цифра, закодированная по одной из нескольких схем, включая двоично-десятичный код или двоично -десятичный код, двоичный код , дополнительный-3 и код два из пяти .

Математической основой цифровых вычислений является булева алгебра , разработанная британским математиком Джорджем Булем в его работе «Законы мысли» , опубликованной в 1854 году. Его булева алгебра была дополнительно усовершенствована в 1860-х годах Уильямом Джевонсом и Чарльзом Сандерсом Пирсом и впервые была представлена систематически Эрнстом Шредером и А.Н. Уайтхедом . ^[68] В 1879 году Готлоб Фреге развивает формальный подход к логике и предлагает первый логический язык для логических уравнений. ^[69]

В 1930-х годах, работая независимо друг от друга, американский инженер-электронщик Клод Шеннон и советский логик Виктор Шестаков продемонстрировали взаимно однозначное соответствие между концепциями булевой логики и некоторыми электрическими схемами, которые теперь называются логическими вентилями , которые теперь повсеместно используются в цифровых компьютерах. ^[70] Они показали ^[71] , что электронные реле и переключатели могут реализовать выражения из булевой алгебры . Этот тезис по существу лег в основу практической цифровой схемы.дизайн. Кроме того, в статье Шеннона дается правильная принципиальная схема 4-битного цифрового двоичного сумматора. ^{[70] : pp.494–495.}

Электронная обработка данных [ править ]

Элементы чисто электронных схем вскоре заменили их механические и электромеханические эквиваленты, в то время как цифровые вычисления заменили аналоговые. Машины , такие как Z3 , в Атанасофф-Berry Computer , на компьютерах Colossus , и ENIAC были построены вручную, с использованием схемы , содержащие реле или клапаны (вакуумные трубки), и часто используются перфокарты или перфоленты для ввода и в качестве основного (энергонезависимый) носитель данных. ^[72]

Инженер Томми Флауэрс присоединился к телекоммуникационному отделению Главпочтамта в 1926 году. Работая на исследовательской станции в Доллис-Хилл в 1930-х годах, он начал исследовать возможности использования электроники для телефонной станции . Экспериментальное оборудование, которое он построил в 1934 году, было введено в эксплуатацию 5 лет спустя, преобразовав часть телефонной сети в систему электронной обработки данных с использованием тысяч электронных ламп . ^[48]

В США в 1940 году Артур Дикинсон (IBM) изобрел первый цифровой электронный компьютер. ^[73] Это вычислительное устройство было полностью электронным - управление, вычисления и вывод (первый электронный дисплей). ^[74] Джон Винсент Атанасов и Клиффорд Э. Берри из Университета штата Айова разработали компьютер Атанасова – Берри (ABC) в 1942 году ^[75], первое двоичное электронное цифровое вычислительное устройство. ^[76]Эта конструкция была полуэлектронной (электромеханическое управление и электронные вычисления) и использовала около 300 электронных ламп с конденсаторами, закрепленными в механически вращающемся барабане для памяти. Однако устройство записи / считывания бумажных карт было ненадежным, а регенеративная контактная система барабана была механической. Специализированный характер машины и отсутствие изменяемой сохраненной программы отличает ее от современных компьютеров. ^[77]

Компьютеры, логика которых в основном была построена на электронных лампах, теперь известны как компьютеры первого поколения .

Электронный программируемый компьютер [ править ]

Во время Второй мировой войны британские взломщики кодов в Блетчли-парке , в 64 км к северу от Лондона, добились ряда успехов в взломе зашифрованных военных коммуникаций противника. Немецкая шифровальная машина Enigma впервые подверглась атаке с помощью электромеханических бомб . ^[78] Этими бомбардировщиками часто пользовались женщины. ^{[79] [80]} Они исключили возможные настройки Enigma, выполнив цепочки логических выводов, реализованных электрически. Большинство возможностей привело к противоречию, а оставшиеся немногие можно было проверить вручную.

Немцы также разработали серию систем шифрования телетайпов, весьма отличных от Enigma. Машина Lorenz SZ 40/42 использовалась для армейской связи высокого уровня, получившая от англичан кодовое название "Tunny". Первые перехваты сообщений Лоренца начались в 1941 году. В рамках атаки на Танни Макс Ньюман и его коллеги разработали Heath Robinson , машину с фиксированными функциями, помогающую взламывать код. ^[81] Томми Флауэрс , старший инженер исследовательской станции почтового отделения ^[82], был рекомендован Максу Ньюману Аланом Тьюрингом ^[83] и провел одиннадцать месяцев с начала февраля 1943 года, проектируя и создавая более гибкий компьютер Colossus.(который заменил Хита Робинсона ). ^{[84] [85]} После функциональных испытаний в декабре 1943 года «Колосс» был отправлен в Блетчли-Парк, куда он был доставлен 18 января 1944 года ^[86] и атаковал свое первое сообщение 5 февраля. ^[87]

Colossus был первым в мире электронным цифровым программируемым компьютером . ^[48] В нем использовалось большое количество клапанов (вакуумных трубок). Он имел ввод на бумажной ленте и мог быть сконфигурирован для выполнения множества логических логических операций над своими данными ^[88], но не был полным по Тьюрингу . Ввод данных в Колосс производился фотоэлектрическимчтение бумажной ленты транскрипции зашифрованного перехваченного сообщения. Это было организовано в непрерывный цикл, чтобы его можно было читать и перечитывать несколько раз - не было внутреннего хранилища для данных. Механизм чтения работал со скоростью 5000 символов в секунду, а бумажная лента двигалась со скоростью 40 футов / с (12,2 м / с; 27,3 миль в час). Colossus Mark 1 содержал 1500 термоэмиссионных клапанов (трубок), но Mark 2 с 2400 клапанами и пятью процессорами, включенными параллельно, был в 5 раз быстрее и проще в эксплуатации, чем Mark 1, что значительно ускорило процесс декодирования. Mark 2 был разработан во время строительства Mark 1. Аллен Кумбс взял на себя руководство проектом Colossus Mark 2, когда Томми Флауэрс перешел к другим проектам. ^[89]Первый Колосс Mark 2 вступил в строй 1 июня 1944 года, как раз к вторжению союзников в Нормандию в день " Д" .

В основном Colossus использовался для определения начальных положений роторов Tunny для сообщения, которое называлось «установкой колеса». Colossus впервые в истории использовал регистры сдвига и систолические массивы , что позволило проводить пять одновременных тестов, каждый из которых включает до 100 логических вычислений . Это позволило проверить пять различных возможных начальных положений для одного прохода бумажной ленты. ^[90] Помимо настройки колес, некоторые более поздние Колоссы включали механизмы, предназначенные для помощи в определении рисунков штифтов, известных как «поломка колеса». Обе модели можно было программировать с помощью переключателей и штекерных панелей, чего не было у их предшественников. К концу войны в строю находились десять Mk 2 Colossi.

Без использования этих машин союзники были бы лишены очень ценной информации, которая была получена при чтении огромного количества зашифрованных телеграфных сообщений высокого уровня между немецким верховным командованием (OKW) и их армейскими командованиями по всей оккупированной Европе. Подробности их существования, конструкции и использования держались в секрете до 1970-х годов. Уинстон Черчилль лично отдал приказ об их уничтожении на куски размером не больше человеческой руки, чтобы сохранить в секрете способность британцев взламывать шифры Lorenz SZ.(от немецких машин с роторным шифрованием) во время надвигающейся холодной войны. Две машины были переданы вновь сформированному ГКПВ, а остальные были уничтожены. В результате машины не были включены во многие истории вычислений. ^[f] Реконструированная рабочая копия одной из машин Колосса теперь выставлена ​​в Блетчли-парке.

Созданный в США ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер) был первым электронным программируемым компьютером, построенным в США. Хотя ENIAC был похож на Colossus, он был намного быстрее и гибче. Это было однозначно полное устройство по Тьюрингу и могло вычислить любую проблему, которая уместилась бы в его памяти. Как и на Colossus, «программа» ENIAC определялась состоянием его соединительных кабелей и переключателей, в отличие от электронных машин с сохраненными программами , появившихся позже. После того, как программа была написана, ее нужно было механически ввести в машину с ручной переустановкой вилок и переключателей. Программистами ENIAC были женщины, получившие математическое образование. ^[92]

Он сочетал в себе высокую скорость электроники с возможностью программирования для решения многих сложных задач. Он мог складывать или вычитать 5000 раз в секунду, в тысячу раз быстрее, чем любая другая машина. В нем также были модули для умножения, деления и извлечения квадратного корня. Высокоскоростная память была ограничена 20 словами (что эквивалентно примерно 80 байтам). Построенный под руководством Джона Мочли и Дж. Преспера Эккерта в Университете Пенсильвании, ENIAC продолжался с 1943 года до полной эксплуатации в конце 1945 года. Машина была огромной, весила 30 тонн, потребляла 200 киловатт электроэнергии и содержал более 18000 электронных ламп, 1500 реле и сотни тысяч резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. ^[93]Одним из главных инженерных достижений компании было сведение к минимуму последствий перегорания трубок, что в то время было общей проблемой для надежности машин. Следующие десять лет машина использовалась практически постоянно.

Компьютер с хранимой программой [ править ]

Ранние вычислительные машины были программируемыми в том смысле, что они могли следовать последовательности шагов, которые они были настроены для выполнения, но «программа» или шаги, которые должна была выполнить машина, обычно настраивались путем изменения способа подключения проводов. в коммутационной панели или коммутационной панели . «Перепрограммирование», когда это вообще было возможно, было трудоемким процессом, начиная с инженеров, разрабатывающих блок-схемы , проектирования новой установки, а затем часто требовательного процесса физического переподключения коммутационных панелей. ^[94] Компьютеры с сохраненными программами, напротив, были разработаны для хранения набора инструкций ( программы ) в памяти - обычно в той же памяти, что и хранимые данные.

Теория [ править ]

Теоретическая основа компьютера с хранимой программой была предложена Аланом Тьюрингом в его статье 1936 года. В 1945 году Тьюринг присоединился к Национальной физической лаборатории и начал свою работу по разработке электронного цифрового компьютера с хранимой программой. Его отчет 1945 года «Предлагаемый электронный калькулятор» был первой спецификацией такого устройства.

В то же время, Джон фон Нейман в Муром Школа электротехники , Университет Пенсильвании , распространил его первый проект доклада о EDVAC в 1945. Несмотря на то, по существу , аналогична конструкции Тьюринга и содержащий сравнительно мало инженерные детали, компьютерная архитектура Определились стало известно , как « архитектура фон Неймана ». Тьюринг представил более подробный документ Исполнительному комитету Национальной физической лаборатории (NPL) в 1946 году, представив первый достаточно полный проект компьютера с хранимой программой , устройство, которое он назвал Автоматическим вычислительным механизмом (ACE). Однако более известныеДизайн EDVAC Джона фон Неймана , который знал о теоретической работе Тьюринга, получил большую огласку, несмотря на его неполноту и сомнительное отсутствие атрибуции источников некоторых идей. ^[48]

Тьюринг считал, что скорость и размер компьютерной памяти являются решающими элементами, поэтому он предложил высокоскоростную память, которую сегодня назвали бы 25 КБ , доступ к которой осуществляется со скоростью 1 МГц . ACE реализовал вызовы подпрограмм , тогда как EDVAC не реализовал , и ACE также использовал сокращенные компьютерные инструкции, раннюю форму языка программирования .

Манчестер Бэби [ править ]

Манчестер Ребенок был первой в мире электронной запасенной компьютерной программы . Он был построен в Университете Виктории в Манчестере по Фредерик С. Уильямс , Том Килберне и Джефф Тутилл и побежал свою первую программу на 21 июня 1948 г. ^[95]

Машина не предназначалась для использования в качестве практического компьютера, а вместо этого была разработана как испытательный стенд для трубки Вильямса , первого цифрового запоминающего устройства с произвольным доступом . ^[96] Изобретенная Фредди Уильямсом и Томом Килбурном ^{[97] [98]} в Манчестерском университете в 1946 и 1947 годах, это была электронно-лучевая трубка, которая использовала эффект, называемый вторичной эмиссией, для временного хранения электронных двоичных данных , и успешно использовалась. в нескольких ранних компьютерах.

Хотя компьютер был маленьким и примитивным, он был доказательством концепции решения единственной проблемы; Baby был первой рабочей машиной, которая содержала все элементы, необходимые для современного электронного компьютера. ^[99] Как только Baby продемонстрировал осуществимость своей конструкции, в университете был инициирован проект по разработке более удобного компьютера Manchester Mark 1 . Mark 1, в свою очередь, быстро стал прототипом Ferranti Mark 1 , первого в мире коммерчески доступного компьютера общего назначения. ^[100]

Ребенок имел длину слова 32 бита и память на 32 слова. Поскольку он был разработан как простейший компьютер с хранимой программой, единственными арифметическими операциями, реализованными в аппаратных средствах, были вычитание и отрицание ; Остальные арифметические операции реализованы программно. Первая из трех программ, написанных для машины, нашла наивысший собственный делитель 2 ¹⁸ (262 144), вычисление, которое, как было известно, займет много времени - и, таким образом, докажет надежность компьютера - путем проверки каждого целого числа от 2 ¹⁸ - 1 вниз, так как деление осуществлялось повторным вычитанием делителя. Программа состояла из 17 инструкций и выполнялась в течение 52 минут до получения правильного ответа, равного 131 072, после того, как Baby выполнил 3,5 миллиона операций (для эффективной скорости процессора 1,1 kIPS ). Последовательные приближения к ответу отображались как последовательные положения яркой точки на трубке Вильямса.

Манчестер Марк 1 [ править ]

Экспериментальная машина привела к разработке Manchester Mark 1 в Манчестерском университете. ^[101] Работа началась в августе 1948 года, и первая версия была готова к апрелю 1949 года; программа, написанная для поиска простых чисел Мерсенна, работала без ошибок в течение девяти часов в ночь с 16 на 17 июня 1949 года. Об успешной работе машины широко сообщалось в британской прессе, которая использовала фразу «электронный мозг» в описании этого для своих читатели.

Компьютер особенно исторически важен из-за того, что он впервые включил индексные регистры , нововведение, которое упростило программе последовательное чтение массива слов в памяти. Тридцать четыре патента явились результатом разработки машины, и многие идеи, лежащие в основе ее конструкции, были включены в последующие коммерческие продукты, такие как IBM 701 и 702, а также Ferranti Mark 1. Главные конструкторы Фредерик К. Уильямс и Том Килберн. , пришли к выводу из своего опыта с Mark 1, что компьютеры будут использоваться больше в научных ролях, чем в чистой математике. В 1951 году они начали разработку Meg., преемник Mark 1, который будет включать в себя модуль с плавающей запятой .

EDSAC [ править ]

Другой соперник за то , что первый узнаваемо современные цифровые запасенной компьютерная программа ^[102] был EDSAC , ^[103] разработан и построен Морис Уилкс и его команда в Университете Кембриджа математической лаборатории в Англии в Кембриджском университете в 1949 году. Эта машина была вдохновлена основополагающим Первым проектом отчета Джона фон Неймана о EDVAC и была одним из первых эффективно работающих электронных цифровых компьютеров с хранимой программой . ^[грамм]

EDSAC запустил свои первые программы 6 мая 1949 года, когда он рассчитал таблицу квадратов ^[106] и список простых чисел . EDSAC также послужил основой для первого коммерчески применяемого компьютера, LEO I , используемого компанией по производству продуктов питания. J. Lyons & Co. Ltd. EDSAC 1 и была окончательно закрыта 11 июля 1958 года, на смену ей пришла EDSAC 2, которая использовалась до 1965 года. ^[107]

«Мозг» [компьютер] может однажды опуститься до нашего уровня [простых людей] и помочь в наших расчетах по подоходному налогу и бухгалтерскому учету. Но это домыслы, и пока об этом нет никаких признаков.

-  Британская газета The Star в новостной статье в июне 1949 года о компьютере EDSAC , задолго до эры персональных компьютеров. ^[108]

EDVAC [ править ]

ENIAC изобретатели Джон Мочли и Дж Преспер Эккерт предложил EDVAC «строительство с августа 1944 года, и проектные работы для EDVAC началась в Университете Пенсильвании » s Moore школы электротехники , до ENIAC был полностью работоспособным. В конструкции реализован ряд важных архитектурных и логических улучшений, задуманных при создании ENIAC, а также высокоскоростная память с последовательным доступом . ^[109] Однако Эккерт и Мочли покинули проект, и его строительство застопорилось.

В итоге было поставлено в армии США «s исследовательской лаборатории баллистики в Абердине испытательном полигоне в августе 1949 года, но из - за ряда проблем, компьютер только начал свою работу в 1951 году, а затем только на ограниченной основе.

Коммерческие компьютеры [ править ]

Первым коммерческим компьютером был Ferranti Mark 1 , построенный Ферранти и поставленный в Манчестерский университет в феврале 1951 года. Он был основан на Manchester Mark 1 . Основные улучшения по сравнению с Manchester Mark 1 заключались в размере первичного хранилища (с использованием трубок Вильямса с произвольным доступом ), вторичного хранилища (с использованием магнитного барабана ), более быстрого умножителя и дополнительных инструкций. Базовое время цикла составляло 1,2 миллисекунды, а умножение могло быть выполнено примерно за 2,16 миллисекунды. В умножителе использовалась почти четверть из 4050 вакуумных ламп (клапанов) машины. ^[110]Вторая машина была приобретена Университетом Торонто до того, как дизайн был изменен на Mark 1 Star . По крайней мере, семь из этих более поздних машин были доставлены в период с 1953 по 1957 год, одна из них - в лаборатории Shell в Амстердаме. ^[111]

В октябре 1947 года директора J. Lyons & Company , британской компании общественного питания, известной своими чайными, но с сильным интересом к новым методам управления офисом, решили принять активное участие в продвижении коммерческой разработки компьютеров. LEO I компьютер был введен в эксплуатацию в апреле 1951 г. ^[112] и побежал первый в мире регулярный рутинный офисный компьютер работу . 17 ноября 1951 года компания J. Lyons начала еженедельно проводить оценку хлебопекарных работ в LEO (Lyons Electronic Office). Это было первое бизнес- приложение, запущенное на компьютере с хранимой программой. ^[час]

В июне 1951 года UNIVAC I (универсальный автоматический компьютер) был доставлен в Бюро переписи населения США . В конечном итоге Remington Rand продала 46 машин по цене более 1 миллиона долларов США каждая (9,85 миллиона долларов на 2021 год). ^[113] UNIVAC был первым компьютером массового производства. Он использовал 5200 электронных ламп и потреблял 125 кВт мощности. Его основным хранилищем были ртутные линии задержки с последовательным доступом, способные хранить 1000 слов из 11 десятичных цифр плюс знак (72-битные слова).

В 1954 году IBM представила меньший и более доступный компьютер, который оказался очень популярным. ^{[I] [115]} IBM 650 весил более 900 кг, прилагаемый блок питания весил около 1350 кг , и оба были проведены в отдельных кабинетах примерно 1,5 м на 0,9 м на 1,8 м. Он стоит 500 000 долларов США ^[116] (4,76 миллиона долларов на 2021 год) или может быть сдан в аренду за 3500 долларов США в месяц (30 тысяч долларов на 2021 год). ^[113]Его барабанная память изначально состояла из 2000 десятизначных слов, позже расширилась до 4000 слов. Подобные ограничения памяти должны были доминировать в программировании на протяжении десятилетий после этого. Программные инструкции были извлечены из вращающегося барабана по мере выполнения кода. Эффективное выполнение с использованием барабанной памяти обеспечивалось сочетанием аппаратной архитектуры: формат инструкции включал адрес следующей инструкции; и программное обеспечение: программа символьной оптимальной сборки , SOAP, ^[117] назначила инструкции по оптимальным адресам (насколько это возможно с помощью статического анализа исходной программы). Таким образом, при необходимости многие инструкции размещались в следующем ряду барабана для считывания, и дополнительное время ожидания для вращения барабана не требовалось.

Микропрограммирование [ править ]

В 1951 году британский ученый Морис Уилкс разработал концепцию микропрограммирования, исходя из того, что центральным процессором компьютера можно управлять с помощью миниатюрной узкоспециализированной компьютерной программы в высокоскоростном ПЗУ . Микропрограммирование позволяет определять или расширять базовый набор инструкций с помощью встроенных программ (теперь называемых микропрограммным обеспечением или микрокодом ). ^[118] Эта концепция значительно упростила разработку ЦП. Впервые он описал это на инаугурационной компьютерной конференции Манчестерского университета в 1951 году, а затем опубликовал в развернутом виде в IEEE Spectrum в 1955 году.^{[ необходима цитата ]}

Он был широко используется в ЦП и с плавающей точкой единиц ЭВМ и других компьютеров; он был впервые реализован в EDSAC 2 , ^[119], который также использовал несколько идентичных «битовых слоев» для упрощения проектирования. Для каждого бита процессора использовались сменные заменяемые узлы трубок. ^[j]

Магнитная память [ править ]

Магнитные барабанные запоминающие устройства были разработаны для ВМС США во время Второй мировой войны, и работа продолжалась в Engineering Research Associates (ERA) в 1946 и 1947 годах. ERA, тогда часть Univac, включила барабанную память в свой 1103 , анонсированный в феврале 1953 года. серийный компьютер IBM 650 , также объявленный в 1953 году, имел около 8,5 килобайт барабанной памяти.

Память с магнитным сердечником, запатентованная в 1949 году ^[121], впервые была продемонстрирована для компьютера Whirlwind в августе 1953 года. ^[122] Коммерциализация последовала быстро. Магнитный сердечник использовался в периферийных устройствах IBM 702, поставленных в июле 1955 года, а затем и в самом 702. В IBM 704 (1955 г.) и Ferranti Mercury (1957 г.) использовалась память на магнитных сердечниках. Он продолжал доминировать в этой области до 1970-х годов, когда был заменен полупроводниковой памятью. Пик объема магнитных сердечников пришелся на 1975 год, после чего их использование и доля на рынке сократились. ^[123]

Еще в 1980 году машины PDP-11/45, использующие основную память с магнитным сердечником и барабаны для подкачки, все еще использовались на многих из первоначальных сайтов UNIX.

Характеристики ранних цифровых компьютеров [ править ]

Транзисторные компьютеры [ править ]

Биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. С 1955 года транзисторы заменили электронные лампы в компьютерных конструкциях ^[125], что привело к появлению компьютеров «второго поколения». По сравнению с электронными лампами транзисторы имеют много преимуществ: они меньше по размеру и потребляют меньше энергии, чем электронные лампы, поэтому выделяют меньше тепла. Транзисторы с кремниевым переходом были намного надежнее электронных ламп и имели более длительный срок службы. Транзисторные компьютеры могут содержать десятки тысяч двоичных логических схем в относительно компактном пространстве. Транзисторы значительно уменьшили размер компьютеров, их первоначальную стоимость и эксплуатационные расходы . Обычно компьютеры второго поколения состояли из большого количества печатных плат.такие как Standard Modular System IBM , ^[126] каждый , несущие один на четыре логических вентилей или триггеров .

В Университете Манчестера команда под руководством Тома Килберна спроектировала и построила машину, использующую недавно разработанные транзисторы вместо клапанов. Изначально единственными доступными устройствами были германиевые транзисторы с точечным контактом , менее надежные, чем клапаны, которые они заменяли, но которые потребляли гораздо меньше энергии. ^[127] Их первый и первый в мире транзисторный компьютер был введен в действие к 1953 году ^[128], а вторая версия была завершена там в апреле 1955 года. ^[129] Версия 1955 года использовала 200 транзисторов, 1300 твердотельных диодов., и имел потребляемую мощность 150 Вт. Тем не менее, машина действительно использовала клапаны для генерации сигналов тактовой частоты 125 кГц и в схемах для чтения и записи в память магнитного барабана, так что это был не первый полностью транзисторный компьютер.

Этим отличием является Harwell CADET 1955 года ^[130], построенный отделом электроники Исследовательского центра по атомной энергии в Харвелле . В конструкции был использован 64-килобайтный накопитель на магнитных барабанах с несколькими движущимися головками, который был разработан в Национальной физической лаборатории Великобритании . К 1953 году у этой команды были транзисторные схемы, работающие для чтения и записи на меньшем магнитном барабане Королевского радиолокационного учреждения . Машина использовала низкую тактовую частоту всего 58 кГц, чтобы избежать использования каких-либо клапанов для генерации тактовых сигналов. ^{[131] [130]}

CADET использовал 324-контактные транзисторы, предоставленные британской компанией Standard Telephones and Cables ; 76 переходных транзисторов использовались в усилителях первого каскада для считывания данных с барабана, так как точечные транзисторы были слишком шумными. С августа 1956 года CADET предлагал регулярные вычислительные услуги, во время которых он часто выполнял непрерывные вычисления продолжительностью 80 часов и более. ^{[132] [133]} Проблемы с надежностью ранних партий точечных и легированных переходных транзисторов означали, что среднее время наработки на отказ машины составляло около 90 минут, но это улучшилось, когда стали доступны более надежные биполярные переходные транзисторы . ^[134]

Конструкция транзисторного компьютера Манчестерского университета была принята местной инженерной фирмой Metropolitan-Vickers в их Metrovick 950 , первом коммерческом транзисторном компьютере в мире. ^[135] Было построено шесть Metrovick 950, первый из которых был построен в 1956 году. Они были успешно развернуты в различных подразделениях компании и использовались около пяти лет. ^[129] Компьютер второго поколения IBM 1401 занял около трети мирового рынка. Между 1960 и 1964 годами IBM установила более десяти тысяч 1401.

Транзисторные периферийные устройства [ править ]

Транзисторная электроника улучшила не только ЦП (центральный процессор), но и периферийные устройства . Дисковые устройства хранения данных второго поколения могли хранить десятки миллионов букв и цифр. Рядом с фиксированными дисковыми накопителями, подключенными к ЦП через высокоскоростную передачу данных, были съемные дисковые накопители. Съемный дисковый пакет можно легко заменить на другой за несколько секунд. Даже если емкость съемных дисков меньше, чем у фиксированных дисков, их взаимозаменяемость гарантирует практически неограниченное количество данных под рукой. Магнитная лента обеспечивала возможность архивирования этих данных по более низкой цене, чем диск.

Многие процессоры второго поколения делегировали связь с периферийными устройствами второстепенному процессору. Например, в то время как коммуникационный процессор управлял считыванием и перфорацией карты , главный ЦП выполнял вычисления и инструкции двоичного перехода . Одна шина данных будет нести данные между основным ЦП и основной памятью с частотой цикла выборки-выполнения ЦП , а другие шины данных обычно обслуживают периферийные устройства. На PDP-1 время цикла основной памяти составляло 5 микросекунд; следовательно, большинство арифметических инструкций занимало 10 микросекунд (100 000 операций в секунду), потому что большинство операций занимало не менее двух циклов памяти; один для инструкции, один для операнда выборка данных.

Во время второго поколения удаленных терминалов (часто в форме телетайпов, таких как Friden Flexowriter ) значительно возросло использование. ^[k] Телефонные соединения обеспечивали достаточную скорость для ранних удаленных терминалов и позволяли разделять удаленные терминалы и вычислительный центр на сотни километров. В конечном итоге эти автономные компьютерные сети будут обобщены во взаимосвязанную сеть сетей - Интернет. ^[l]

Транзисторные суперкомпьютеры [ править ]

В начале 1960-х годов появились суперкомпьютеры . Атлас был совместного развития между университетом Манчестера , Ferranti и Плесси , и был первым установлен в Манчестерском университете и официально введена в эксплуатацию в 1962 году в качестве одного из первых в мире суперкомпьютеров - считается самым мощным компьютером в мире в то время . ^[138] Было сказано, что всякий раз, когда Atlas отключался, половина компьютерных мощностей Соединенного Королевства терялась. ^[139] Это была машина второго поколения, в которой использовались дискретные германиевые транзисторы . Компания Atlas также впервые разработала систему Atlas Supervisor., «считается многими первой узнаваемой современной операционной системой ». ^[140]

В США серия компьютеров Control Data Corporation (CDC) была спроектирована Сеймуром Креем с использованием инновационных конструкций и параллелизма для достижения превосходной пиковой производительности вычислений. ^[141] CDC 6600 , выпущенный в 1964 году, как правило , считается первым суперкомпьютером. ^{[142] [143]} CDC 6600 превзошел своего предшественника, IBM 7030 Stretch , примерно в три раза. Обладая производительностью около 1  мегафлопс , CDC 6600 был самым быстрым компьютером в мире с 1964 по 1969 год, когда отказался от этого статуса. его преемнику, CDC 7600 .

Компьютеры на интегральных схемах [ править ]

Цифровые электронные вычислительные машины «третьего поколения» использовали микросхемы интегральных схем (ИС) в качестве основы своей логики.

Идея интегральной схемы была задумана радиолокационной ученым , работающим в Royal Radar создания в Министерстве обороны , Джеффри Даммер WA .

Первые работающие интегральные схемы были изобретены Джеком Килби из Texas Instruments и Робертом Нойсом из Fairchild Semiconductor . ^[144] Килби записал свои первоначальные идеи относительно интегральной схемы в июле 1958 года, успешно продемонстрировав первый рабочий пример интегральной схемы 12 сентября 1958 года. ^[145] Изобретением Килби была гибридная интегральная схема (гибридная ИС). ^[146] У него были внешние проводные соединения, что затрудняло серийное производство. ^[147]

Нойс придумал свою собственную идею интегральной схемы через полгода после Килби. ^[148] Изобретением Нойса была монолитная интегральная схема (ИС). ^{[149] [147]} Его чип решил множество практических проблем, которых не было у Килби. Изготовленный в Fairchild Semiconductor, он был сделан из кремния , тогда как чип Килби был сделан из германия . Основой для монолитной ИС Нойса был планарный процесс Fairchild , который позволял создавать интегральные схемы с использованием тех же принципов, что и печатные схемы . Планарный процесс был разработан коллегой Нойса Джин Хорни.в начале 1959 г., на основе работы Аталлы по пассивации поверхности полупроводников диоксидом кремния в Bell Labs в конце 1950-х годов. ^{[150] [151] [152]}

Компьютеры третьего поколения (интегральные схемы) впервые появились в начале 1960-х годов в компьютерах, разработанных для государственных нужд, а затем в коммерческих компьютерах, начиная с середины 1960-х годов.

Полупроводниковая память [ править ]

МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор, или МОП - транзистор) был изобретен Mohamed М. Atalla и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году ^[153] В дополнение к обработке данных, МОП - транзистор включен практическое использование МОП транзисторы в качестве элементов хранения ячеек памяти, функция, ранее выполняемая магнитными сердечниками . Полупроводниковая память , также известная как МОП-память , была дешевле и потребляла меньше энергии, чем память с магнитным сердечником . ^[154] MOS -память с произвольным доступом (RAM) в форме статической RAM.(SRAM), была разработана Джоном Шмидтом в Fairchild Semiconductor в 1964 году. ^{[154] [155]} В 1966 году Роберт Деннард из Исследовательского центра Томаса Дж. Уотсона IBM разработал динамическую МОП- память (DRAM). ^[156] В 1967 году Давон Кан и Саймон Сзе из Bell Labs разработали MOSFET с плавающим затвором , основу для энергонезависимой памяти MOS, такой как EPROM , EEPROM и флэш-память . ^{[157] [158]}

Микропроцессорные компьютеры [ править ]

Цифровые электронные вычислительные машины «четвертого поколения» использовали микропроцессоры как основу своей логики. Микропроцессор возник в микросхеме МОП-интегральной схемы (MOS IC). ^[159] Из-за быстрого масштабирования MOSFET микросхемы MOS IC быстро увеличивались в сложности со скоростью, предсказываемой законом Мура , что привело к крупномасштабной интеграции (LSI) с сотнями транзисторов на одном кристалле MOS к концу 1960-х годов. Применение микросхем MOS LSI в вычислениях послужило основой для первых микропроцессоров, поскольку инженеры начали осознавать, что полный компьютерный процессор может содержаться в одном кристалле MOS LSI. ^[159]

Вопрос о том, какое именно устройство было первым микропроцессором, является спорным, отчасти из-за отсутствия согласия относительно точного определения термина «микропроцессор». Первыми микропроцессорами с несколькими микросхемами были Four-Phase Systems AL-1 в 1969 году и Garrett AiResearch MP944 в 1970 году, разработанные с использованием нескольких микросхем MOS LSI. ^[159] Первым однокристальным микропроцессором был Intel 4004 , ^[160] разработанный на одном кристалле PMOS LSI. ^[159] Его разработали и реализовали Тед Хофф , Федерико Фаггин , Масатоши Шима и Стэнли Мазор из Intel., и выпущен в 1971 году. ^[m] Тадаши Сасаки и Масатоши Шима из Busicom , производителя калькуляторов, изначально понимали, что ЦП может быть одним чипом MOS LSI, поставляемым Intel. ^{[162] [160]}

В то время как самые ранние микропроцессорные ИС буквально содержали только процессор, то есть центральный процессор компьютера, их прогрессивное развитие, естественно, привело к появлению микросхем, содержащих большую часть или все внутренние электронные части компьютера. Интегральная схема на изображении справа, например Intel 8742, представляет собой 8-битный микроконтроллер, который включает в себя ЦП, работающий на частоте 12 МГц, 128 байт ОЗУ , 2048 байт СППЗУ и ввод / вывод в том же чипе. .

В 1960-е годы технологии второго и третьего поколений в значительной степени пересекались. ^[n] IBM реализовала свои модули IBM Solid Logic Technology в гибридных схемах для IBM System / 360 в 1964 году. Еще в 1975 году Sperry Univac продолжила производство машин второго поколения, таких как UNIVAC 494. Большие системы Burroughs, такие как B5000 были стековыми машинами , что позволяло упростить программирование. Эти выталкивающие автоматы позже были реализованы в миникомпьютерах и микропроцессорах, что повлияло на дизайн языков программирования. Миникомпьютеры служили недорогими компьютерными центрами для промышленности, бизнеса и университетов. ^[163]Стало возможным моделировать аналоговые схемы с помощью программы моделирования с упором на интегральные схемы или SPICE (1971) на миникомпьютерах, одной из программ автоматизации проектирования электроники ( EDA ). Микропроцессор привел к развитию микрокомпьютера , небольших недорогих компьютеров, которые могли принадлежать частным лицам и малым предприятиям. Микрокомпьютеры, первые из которых появились в 1970-х, стали повсеместными в 1980-х и позже.

Несмотря на то , какой конкретно систему считаются первым микрокомпьютером является предметом дискуссий, поскольку было несколько систем , уникальный Hobbyist разработанной на базе Intel 4004 и его преемник, Intel 8008 , первый коммерчески доступный набор микрокомпьютера был Intel 8080 - Altair 8800 , о котором было объявлено в январской 1975 г. в статье Popular Electronics . Однако на начальных этапах это была чрезвычайно ограниченная система, имеющая всего 256 байт DRAM.в исходной упаковке и без ввода-вывода, кроме тумблеров и светодиодного дисплея регистра. Несмотря на это, изначально он был на удивление популярен: за первый год было продано несколько сотен, а спрос быстро превысил предложение. Несколько первых сторонних поставщиков, таких как Cromemco и Processor Technology, вскоре начали поставлять дополнительное оборудование для шины S-100 для Altair 8800.

В апреле 1975 года на выставке в Ганновере , Olivetti представила P6060 , первый в мире полный, предварительно собранный персональный компьютер системы. Центральный процессор состоял из двух карт с кодовыми названиями PUCE1 и PUCE2 и, в отличие от большинства других персональных компьютеров, был построен с использованием компонентов TTL, а не микропроцессора. Он имел один или два 8- дюймовых дисковода для гибких дисков, 32-символьный плазменный дисплей , 80-столбцовый графический термопринтер , 48 Кбайт ОЗУ и BASIC.язык. Он весил 40 кг (88 фунтов). Как целостная система, это был значительный шаг по сравнению с Altair, хотя он так и не достиг такого успеха. Он конкурировал с аналогичным продуктом IBM, у которого был внешний дисковод для гибких дисков.

С 1975 по 1977 год большинство микрокомпьютеров, таких как MOS Technology KIM-1 , Altair 8800 и некоторые версии Apple I , продавались в виде комплектов для домашних мастеров. Предварительно собранные системы не получили широкого распространения до 1977 года, когда были представлены Apple II , Tandy TRS-80 , первые компьютеры SWTPC и Commodore PET . Вычислительная техника развивалась вместе с микрокомпьютерными архитектурами с добавлением функций их более крупных собратьев, которые сейчас доминируют в большинстве рыночных сегментов.

Следующего Компьютер и его объектно-ориентированные средства разработки и библиотеки были использованы Тим Бернерс-Ли и Роберт Кайо в ЦЕРН разработать первый в мире веб - сервер программного обеспечения, CERN HTTPD , а также используется для записи первого веб - браузера , WorldWideWeb .

Такие сложные системы, как компьютеры, требуют очень высокой надежности . ENIAC продолжал работать в непрерывном режиме с 1947 по 1955 год в течение восьми лет, прежде чем был остановлен. Хотя вакуумная трубка может выйти из строя, ее следует заменить без выхода из строя системы. Благодаря простой стратегии никогда не выключать ENIAC, количество отказов было значительно сокращено. Компьютеры противовоздушной обороны SAGE на электронных лампах стали удивительно надежными - устанавливались парами, один отключался, и лампы, вероятно, вышли из строя, когда компьютер был намеренно запущен на пониженной мощности для их обнаружения. С возможностью горячей заменыЖесткие диски, как и прежние электронные лампы с возможностью горячей замены, продолжают традицию ремонта при непрерывной эксплуатации. Полупроводниковые запоминающие устройства обычно не имеют ошибок при работе, хотя операционные системы, такие как Unix, использовали тесты памяти при запуске для обнаружения неисправного оборудования. Сегодня требование надежной производительности становится еще более строгим, когда серверные фермы являются платформой доставки. ^[164] Google справился с этим, используя отказоустойчивое программное обеспечение для восстановления после сбоев оборудования, и даже работает над концепцией замены целых серверных ферм на лету, во время обслуживания. ^{[165] [166]}

В 21 веке многоядерные процессоры стали коммерчески доступными. ^[167] Память с адресацией по содержимому (CAM) ^[168] стала достаточно недорогой для использования в сети и часто используется для встроенной кэш-памяти в современных микропроцессорах, хотя ни одна компьютерная система еще не реализовала аппаратные CAM для использования в программировании. языков. В настоящее время CAM (или ассоциативные массивы) в программном обеспечении зависят от языка программирования. Матрицы полупроводниковых ячеек памяти представляют собой очень регулярные структуры, и производители доказывают свои процессы на них; это позволяет снизить цены на продукты памяти. В 1980-х годах логические элементы CMOS разработаны в устройства, которые могут быть сделаны так же быстро, как и другие типы схем; Таким образом, энергопотребление компьютера может быть значительно снижено. В отличие от постоянного потребления тока затвора, основанного на других типах логики, затвор CMOS потребляет значительный ток только во время «перехода» между логическими состояниями, за исключением утечки.

Это позволило вычислениям стать товаром, который теперь повсеместен, встроен во многие формы , от поздравительных открыток и телефонов до спутников . Расчетная тепловая мощность, рассеиваемая во время работы, стала такой же важной, как и скорость вычислений. В 2006 году серверы потребляли 1,5% от общего энергетического бюджета США ^[169] . Ожидалось, что потребление энергии компьютерными центрами обработки данных удвоится до 3% мирового потребления к 2011 году. SoC (система на кристалле) сжала еще больше энергии. интегрированная схема в одном чип; SoC позволяют объединить телефоны и ПК в единую портативную беспроводную сеть.мобильные устройства . ^[170]

10 ноября 2017 года MIT Technology Review сообщила, что IBM создала 50- кубитный компьютер; в настоящее время его квантовое состояние длится 50 микросекунд. ^[171] Physical Review X сообщил 26 ноября 2018 года о методе «одностворчатого считывания как жизнеспособного метода считывания спиновых кубитов» (синглет-триплетное спиновое состояние в кремнии). ^[172] Группе Google удалось использовать их Чип модулятора РЧ-импульсов с температурой 3 Кельвина, упрощающий криогенную обработку их 72-кубитного компьютера, который настроен для работы при 0,3 Кельвина; но схему считывания и еще один драйвер еще предстоит внедрить в криогенику. ^[173] См .: Квантовое превосходство ^{[174] [175]} Системы кремниевых кубитов продемонстрировали запутанностьна неместных расстояниях. ^[176]

Вычислительное оборудование и его программное обеспечение даже стали метафорой функционирования Вселенной. ^[177]

Эпилог [ править ]

Признак скорости развития этой области можно сделать вывод из истории основополагающей статьи 1947 года Беркса, Голдстайна и фон Неймана. ^[178] К тому времени, когда у кого-то было время что-либо записать, это устарело. После 1945 года другие прочитали первый проект отчета Джона фон Неймана о EDVAC и сразу же приступили к внедрению своих собственных систем. По сей день во всем мире продолжается стремительное развитие. ^{[179] [o]}

В статье 1966 года в Time было предсказано, что: «К 2000 году машины будут производить столько, что каждый в США, по сути, станет богатым независимо . Как использовать свободное время будет большой проблемой». ^[181]

См. Также [ править ]

• Антикитерский механизм
• История вычислительной техники
• Информационная эпоха
• Общество истории информационных технологий
• Хронология вычислений
• Список пионеров информатики
• Компьютер с вакуумной трубкой

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• «онлайн-доступ» . IEEE Annals of the History of Computing . Архивировано из оригинала на 2006-05-23.
• Керуцци, Пол Э. (1998), История современных вычислений , MIT Press
• Журнал Computers and Automation - иллюстрированный отчет о компьютерной сфере:
  • ФОТОГРАФИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ В КОМПЬЮТЕРЫ - 06/1957
  • ПОСОБИЕ ПО КОМПЬЮТЕРАМ - 12/1957
  • ПОСОБИЕ ПО КОМПЬЮТЕРАМ, Часть 2 - 01/1958
  • 1958–1967 Иллюстрированный отчет о компьютерной сфере - декабрьские выпуски ( 195812.pdf, ..., 196712.pdf )
• По крупицам: иллюстрированная история компьютеров , Стэн Аугартен, 1984. OCR с разрешения автора.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с историческими компьютерами .

Викискладе есть медиафайлы, связанные с компьютерными модулями .

В Викиверситете есть учебные ресурсы по введению в компьютеры / истории.

• Устаревшие технологии - старые компьютеры
• История вычислительной техники
• Исторические компьютеры в Японии
• История японских механических счетных машин
• История компьютеров - сборник статей Боба Бемера
• 25 микрочипов, которые потрясли мир - сборник статей Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике
• История вычислительной техники Колумбийского университета
• Компьютерные истории - вводный курс по истории вычислительной техники
• Революция - первые 2000 лет компьютерам , Музей истории компьютеров