Эра счетных машин
Первый действующий электрический вычислитель разработал в 1890 г. американский изобретатель Герман Голлерит (1860—1929). Его машина была построена с применением электромеханических реле и позволяла обрабатывать большие объемы данных. Так, например, в конце XIX в. вычислитель Голлерита был использован Бюро переписи США для того, чтобы обработать данные о переписи населения, скопившиеся за десять лет.
Голлерит разработал специальную 80-колонную перфокарту, на которую пробивкой отверстий наносились все сведения о человеке. Карты продвигались между набором пружинных штырей, которые, попадая в отверстия, замыкали электрическую цепь. При этом электрический сигнал передавался на счетчик, добавлявший к имеющемуся в нем числу новую единицу.
Потребность в таком вычислителе была очень велика. Например, результаты переписи 1880 г. обрабатывались в США года. А машина Голлерита обрабатывала до 1000 карточек в час.
В 1896 г. изобретатель основал фирму «Табьюлейтинг Машин Компани», специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В 1911 г. его компания слилась с тремя другими и была преобразована в широко известную сейчас во всем мире корпорацию IBM — International Business Machines — крупнейшего разработчика в области вычислительной техники.
Первая машина с программным управлением
Активное развитие вычислительной техники в первой половине XX в. было связано с широким применением электрических устройств. В 1938 г. немецкий инженер Конрад Цузе (1910—1995) создал первую в истории релейную электронно-вычислительную машину, названную Z1. Умножение и деление она выполняла при помощи процедуры повторных сложений и вычитаний.
В 1939 г. появилась более совершенная модель Z2, а в 1941 г. Цузе собрал первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением, обладающую всеми свойствами современного компьютера. Сложная в реализации десятичная система была заменена на двоичную, а программы хранились на перфорированной 35-миллиметровой кинопленке. Остается добавить, что этот электронный вычислитель Цузе использовался в годы Второй мировой войны специалистами немецкого Исследовательского института аэродинамики для расчетов, связанных с конструированием самолетов и управляемых ракет.
В послевоенные годы Конрад Цузе создал компанию Zuse KG. Наиболее известными стали машины Z11, пользующиеся особой популярностью на предприятиях авиационной, оптической промышленности и в университетах, и Z22 — первый компьютер с памятью на магнитных носителях. К 1967 г. Zuse KG уже выпустила более 250 электронных вычислительных машин, а затем вошла в состав известной немецкой компании Siemens AG, где Цузе продолжал работать специалистом-консультантом.
Большой «Марк-1»
В 1944 г. американский ученый Говард Айкен (1900— 1973) создал вычислительную машину, в которой широко использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические для управления работой механизмов. В новом творении, получившем название «Марк-1», числа хранились в регистрах. Всего было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память состояла из 60 регистров, образованных механическими переключателями. В эту дополнительную память вручную вводились константы — числа, которые не изменялись в процессе вычисления. Каждый регистр содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для представления самого числа, а одно — для представления его знака.
Электромеханический вычислитель «Марк-1» имел внушительные размеры: длина — 17,4 м, высота — 2,5 м, но зато выполнял сложение и вычитание за 0,3 с, умножение — за 6 с, а на деление у машины уходило 15 с. Таким образом, он мог заменить несколько десятков сотрудников, работающих с ручными счетными машинами.
Быстродейственный ЭНИАК
Скорость работы электромеханических машин была ограничена временем срабатывания и отпускания реле, самые быстрые из которых не могли делать больше 50 срабатываний в секунду. В 1946 г. американские ученые из Пенсильванского университета заменили их электронными лампами. Их «электронно-цифровой интегратор и вычислитель» получил название ЭНИАК (ENIAC, сокр. от англ. Electronic Numerical Integrator and Computer).
Это было огромное сооружение, занимавшее площадь 135 м2, имевшее массу 30 т и энергопотребление 150 кВт. Машина состояла из сорока панелей, содержащих 18 тыс. электронных ламп, 6 тыс. выключателей и 1500 реле. На сложение ЭНИАК тратил всего 0,0002 с, а на умножение — 0,0028 с, т.е. работал в тысячу раз быстрее самых совершенных релейных машин.
Ввод данных в машину производился при помощи перфокарт, но программа для их обработки передавалась посредством штекеров и наборных полей. Поэтому на подготовку машины к работе порой уходило несколько дней, тогда как сама задача решалась всего за несколько минут.
Больше недостатков, чем достоинств
Со второй половины XX в. началось активное развитие электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Первое поколение ЭВМ было полностью построено на электронных лампах. Такие машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. Они имели внушительные размеры и слабое программное обеспечение, потребляли много энергии, были надежны. Быстродействие этих ЭВМ составляло около 3 тыс. операций в секунду, емкость оперативной памяти не превышала 4 Кб, а внешняя память размещалась на магнитном барабане.
ЭВМ второго поколения
В конце 50-х гг. прошлого столетия появилось второе поколение ЭВМ. Эти машины были собраны на полупроводниковых приборах, что позволило существенно увеличить емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие. При этом значительно уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. ЭВМ второго поколения имели быстродействие порядка 20—30 тыс. операций в секунду и оперативную память до 32 Кб.
Электронные вычислители второго поколения предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Это, в свою очередь, послужило толчком для развития программного обеспечения. В результате появились такие популярные языки программирования, как Бейсик, Кобол и Фортран.
Дальнейшее совершенствование
Появление третьего поколения ЭВМ (ориентировочно 1968 г.) было связано с разработкой малых интегральных схем (МИС). После того как было налажено промышленное изготовление МИС, удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Так, например, машины этого поколения имели больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.
Многопроцессорные вычислительные комплексы
В начале 70-х гг. прошлого столетия появились интегральные микросхемы с большой степенью интеграции — БИС. Это сделало возможным разместить на одном кристалле несколько сотен тысяч электронных элементов. Этим и воспользовался американский инженер Маршиан Эдвард Хофф (1937), объединив основные элементы компьютера в один небольшой кремниевый чип (кристалл), который он назвал микропроцессором.
Применение таких схем значительно повысило надежность ЭВМ и позволило создавать на их основе многопроцессорные вычислительные комплексы. В результате производительность ЭВМ четвертого поколения превысила 100 млн операций в секунду, а емкость оперативной памяти достигла значения в несколько сотен мегабайт.
Разделение на процессоры
Начиная с 90-х гг. XX в. большие компьютеры начали развиваться по пути распределенных вычислений. При такой организации процесса отдельные вычислительные узлы уже конструктивно не объединялись в один общий корпус, а представляли собой отдельные самостоятельные компьютеры. Громоздкие вычисления разделялись на мелкие части, и выполнение каждой такой части передавали отдельному недорогому серийно выпускаемому процессору, число которых могло доходить до десятков тысяч. Важным преимуществом такого метода являлась его наращиваемость: путем простого увеличения числа процессоров можно было поднять производительность системы.
