Слово "компьютер" означает "вычислитель", т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Более 1500 лет тому назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д.

В наше время трудно представить себе, что без компьютеров можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и малоизвестным широкой публике. Сейчас компьютер прочно вошел в нашу жизнь, став главным помощником человека. На сегодняшний день в мире существует множество компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений.

В данном реферате мы рассмотрим историю развития вычислительной техники, а также краткий обзор о возможностях применения современных вычислительных систем и дальнейшие тенденции развития персональных компьютеров.

"Ручной период автоматизации вычислений начался на заре человеческой цивилизации и базировался на использовании частей тела, в первую очередь пальцев рук и ног. Пальцевый счет уходит корнями в глубокую древность, встречаясь в том или ином виде у всех народов и в наши дни. Конечно, счёт был примитивным, а уровень абстракции очень низким. Понятие числа максимально конкретно, оно неразрывно связано с предметом (т.е. это, например, не число "два", а "две рыбы", "два коня" и т.д.). Диапазон счёта невелик. Можно выделить три типа таких счётных приспособлений. Искусственные приспособления: зарубки (насечки) на различных предметах, в Южной Америке получают широкое распространение узелки на верёвках. Предметный счёт, когда используются предметы типа камешков, палочек, зёрен и т.д. Часто этот тип счёта использовался вместе с пальцевым. Счёт с помощью предметов был предшественником счёта на абаке - наиболее развитом счётном приборе древности, сохранившем некоторое значение в настоящее время (в виде русских счётов, китайского суань-паня и др.). Под абаком понимается счётный прибор, на котором отмечены места (колонки или строчки) для отдельных разрядов чисел."[5]

Рисунок 1 - Суань-пань

Механический период

Под механическим вычислительным устройством понимается устройство, построенное на механических элементах и обеспечивающее автоматическую передачу из низшего разряда в высший. Один из первых арифмометров, точнее "суммирующая машина", был изобретен Леонардо да около 1500 года. Правда, о его идеях никто не знал на протяжении почти четырех столетий. Рисунок этого устройства был обнаружен только в 1967 году, и по нему фирма IBM воссоздала вполне работоспособную 13-разрядную суммирующую машину, в которой использован принцип 10-зубых колес. вычислительный компьютер арифмометр

Десятью годами ранее в результате исторических изысканий в Германии были обнаружены чертежи и описание арифмометра, выполненные в 1623 году Вильгельмом Шиккардом (1592-1636), профессором математики университета в Тюбингене. Это была весьма "продвинутая" 6-разрядная машина, состоявшая из трех узлов: устройства сложения-вычитания, множительного устройства и блока записи промежуточных результатов. Если сумматор был выполнен на традиционных зубчатых колесах, имевших кулачки для передачи в соседний разряд единицы переноса, то множитель был построен весьма изощренно. В нем немецкий профессор применил метод "решетки", когда при помощи "насаженной" на валы зубчатой "таблицы умножения" происходит перемножение каждой цифры первого сомножителя на каждую цифру второго, после чего со сдвигом складываются все эти частные произведения. Эта модель оказалась работоспособной, что было доказано в 1957 году, когда она была воссоздана в ФРГ. Однако неизвестно, смог ли сам Шиккард построить свой арифмометр. Есть свидетельство, содержащееся в его переписке с астрономом Иоганном Кеплером относительно того, что недостроенная модель погибла в огне во время пожара в мастерской. К тому же автор, вскоре скончавшийся от холеры, не успел внедрить в научный обиход сведения о своем изобретении, и о нем стало известно лишь в середине ХХ века.

"Поэтому Блез Паскаль (1623-1662), который первым не только сконструировал, но и построил работоспособный арифмометр, начинал, как говорится, с нуля. Блистательный французский ученый, один из создателей теории вероятностей, автор нескольких важных математических теорем, естествоиспытатель, открывший атмосферное давление и определивший массу земной атмосферы, и выдающийся мыслитель, был в повседневной жизни любящим сыном президента королевской палаты сборов. Девятнадцатилетним юношей, в 1642 году, желая помочь отцу, тратившему много времени и сил, составляя финансовые отчеты, он сконструировал машину, которая могла складывать и вычитать числа.

Рисунок 2 - Арифметическая машина Паскаля

Первый образец постоянно ломался, и через два года Паскаль сделал более совершенную модель. Это была чисто финансовая машина: она имела шесть десятичных разрядов и два дополнительных: один поделенный на 20 частей, другой на 12, что соответствовало соотношению тогдашних денежных единиц (1 су = 1/20 ливра, 1 денье = 1/12 су). Каждому разряду соответствовало колесо с конкретным количеством зубцов.

Классическим инструментом механического типа является арифмометр (устройство для выполнения четырёх арифметических действий), изобретённый Готфридом Лейбницем в 1673 году.

Полученная в результате напряженного поиска 8-разрядная модель могла складывать, вычитать, умножать, делить, возводить в степень. Результат умножения и деления имел 16 знаков.

Рисунок 3 - Машина Лейбница

Лейбниц применил в своем арифмометре такие конструктивные элементы, которые использовались при проектировании новых моделей вплоть до ХХ века. В XVII-XVIII вв. сколько-нибудь значительной практической потребности в механизации вычислительных работ не существовало. Интерес к механизации вычислений был вызван, в частности, общефилософскими и общенаучными установками того времени, когда законы и принципы механики рассматривались как общие законы бытия. В XIX в. в связи с развитием промышленной революции, возникает потребность в механизации конторских работ.

Пионером серийного изготовления счетных машин стал эльзасец Шарль-Ксавье Тома де Кольмар (1785-1870). Введя в модель Лейбница ряд эксплуатационных усовершенствований, он в 1821 году начинает выпускать в своей парижской мастерской 16-разрядные арифмометры, которые получают известность как "томас-машины". На первых порах они стоили недешево - 400 франков. И выпускались в не столь уж и больших количествах - до 100 экземпляров в год. Но к концу века появляются новые производители, возникает конкуренция, цены понижаются, а количество покупателей возрастает.

Различные конструкторы, как в Старом, так и в Новом свете патентуют свои модели, которые отличаются от классической модели Лейбница лишь введением дополнительных удобств в эксплуатации. Появляется звонок, сигнализирующий об ошибках типа вычитания из меньшего числа большего. Наборные рычажки заменяются клавишами. Приделывается ручка для переноса арифмометра с места на место. Повышаются эргономические показатели. Совершенствуется дизайн.

Однако предшественником современных ЭВМ является аналитическая машина Чарльза Бэббиджа.

Рисунок 4 - Машина Чарльза Бэббиджа

Проект аналитической машины, представляющей собой цифровую вычислительную машину с программным управлением, был предложен Бэббиджем в 30-е годы XIX века. А в 1843 г. для этой машины была создана первая достаточно сложная машинная программа: программа вычислений чисел Бернулли, составленная Адой Лавлейс. Оба эти достижения были феноменальными. Они более чем на столетие опередили своё время. Только в 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века - электромеханических реле - смог построить такую машину под названием "Марк-1".[4]

Электромеханический период

"Электромеханический этап развития ВТ явился наименее продолжительным и охватывает всего около 60 лет - от первого табулятора Германа Холлерита (1887 г.) до первой ЭВМ ЕNIАС (1945 г.).

Предпосылками создания проектов данного этапа явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление и планирование и др.), так и развитие прикладной электротехники (электропривод и электромеханические реле), позволившие создавать электромеханические вычислительные устройства. Если вернуться к предыдущим этапам развития ВТ, то можно заметить, что каждый этап характеризуется созданием технических средств нового типа, обладающих более высокой производительностью и более широкой сферой применения, чем предыдущие этапы. Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях.

Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США Г. Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора.

Рисунок 5 - Табулятор Германа Холлерита

Значение работ Г. Холлерита для развития ВТ определяется двумя основными факторами. Во-первых, он стал основоположником нового направления в ВТ - счетно-перфорационного (счетно-аналитического), состоящего в применении табуляторов и сопутствующего им оборудования для выполнения широкого круга экономических и научно-технических расчетов. На основе этой ВТ создаются машинно-счетные станции для механизированной обработки информации, послужившие прообразом современных вычислительных центров (ВЦ). В 20--30-е годы 20 века применение счетно-перфорационной техники становится ведущим фактором развития ВТ; только появление ЭВМ ограничило ее применение"[4].

Электронный период

Электронный этап можно разбить на поколения ЭВМ

В истории вычислительной техники существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу первоначально был положен физико-технологический принцип: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления.

Таблица 1 - Поколения ЭВМ

Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то, скорее всего, имеют в виду период промышленного производства; проектирование велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и сегодня.

"В настоящее время физико-технологический принцип не является единственным при определении принадлежности той или иной ЭВМ к поколению. Следует считаться и с уровнем программного обеспечения, с быстродействием, другими факторами, основные из которых сведены в прилагаемую таблицу.

Следует понимать, что разделение ЭВМ по поколениям весьма относительно. Первые ЭВМ, выпускавшиеся до начала 50-х годов, были "штучными" изделиями, на которых отрабатывались основные принципы; нет особых оснований относить их к какому-либо поколению. Нет единодушия и при определении признаков пятого поколения. В середине 80-х годов считалось, что основной признак этого (будущего) поколения - полновесная реализация принципов искусственного интеллекта. Эта задача оказалась значительно сложнее, чем виделось в то время, и ряд специалистов снижают планку требований к этому этапу (и даже утверждают, что он уже состоялся). В истории науки есть аналоги этого явления: так, после успешного запуска первых атомных электростанций в середине 50-х годов ученые объявили, что запуск многократно более мощных, дающих дешевую энергию, экологически безопасных термоядерных станций, вот-вот произойдет; однако, они недооценили гигантские трудности на этом пути, так как термоядерных электростанций нет и по сей день."[4]

"ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках; быстродействие было, как правило, в пределах 5--30 тыс. арифметических оп/с; они отличались невысокой надежностью, требовали систем охлаждения и имели значительные габариты. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей

Рисунок 6 - ЭВМ EDSAC

На первых порах данного этапа использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры. Как правило, ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов, а сам процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался весьма узкий круг математиков, инженеров-электриков и физиков." [3]

"В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работает с большей скоростью.

Рисунок 7 - Полупроводниковые транзисторы

Эти дискретные транзисторные логические элементы со временем вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты ("БЭСМ-6", "Минск-2","Урал-14") и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

В качестве программного обеспечения для машин 2-го поколения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

Рисунок 8 - БЭСМ-6

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно- совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых, основанных на интегральных схемах.

В 1960 г. появились первые интегральные схемы (микросхемы), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. Интегральная схема - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм 2. Одна такая схема способна заменить десятки тысяч транзисторов, один кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный "Эниак". А компьютер с использованием интегральных схем достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы, обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина." [4]

В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360) на микросхемах, ставших первыми компьютерами третьего поколения.

Рисунок 9 - IBM 360

Впоследствии были выпущены и другие машины на интегральных - семейство IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов

"Конструктивно-технологической основой ВТ 4-го поколения становятся большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы, созданные соответственно в 70--80-х гг. Такие ИС содержат уже десятки, сотни тысяч и миллионы транзисторов на одном кристалле (чипе). При этом БИС-технология частично использовалась уже и в проектах предыдущего поколения (IВМ/360, ЕС ЭВМ ряд-2 и др.).

Рисунок 10 - Большая интегральная схема

Наиболее важный в концептуальном плане критерий, по которому ЭВМ 4-го поколения можно отделить от ЭВМ 3-го поколения, состоит в том, что первые проектировались уже в расчете на эффективное использование современных ЯВУ и упрощения процесса программирования для проблемного программиста. В аппаратном отношении для них характерно широкое использование ИС-технологии и быстродействующих запоминающих устройств. Наиболее известной серией ЭВМ четвертого поколения можно считать IВМ/370, которая в отличие от не менее известной серии IВМ/360 3-го поколения, располагает более развитой системой команд и более широким использованием микропрограммирования. В старших моделях 370-й серии был реализован аппарат виртуальной памяти, позволяющий создавать для пользователя видимость неограниченных ресурсов оперативной памяти.

Феномен персонального компьютера (ПК) восходит к созданию в 1965 г, первой мини-ЭВМ PDP-8, которая появилась в результате универсализации специализированного микропроцессора для управления ядерным реактором. Машина быстро завоевала популярность и стала первым массовым компьютером этого класса; в начале 70-х годов число машин превысило 100 тысяч шт. Дальнейшим важным шагом был переход от мини- к микро-ЭВМ; этот новый структурный уровень ВТ начал формироваться на рубеже 70-х годов, когда появление БИС дало возможность создать универсальный процессор на одном кристалле. Первый микропроцессор Intel-4004 был создан в 1971 г. и содержал 2250 элементов, а первый универсальный микропроцессор Intel-8080, явившийся стандартом микрокомпьютерной технологии и созданный в 1974 г., содержал уже 4500 элементов и послужил основой для создания первых ПК. В 1979 г. выпускается один из самых мощных и универсальных 16-битный микропроцессор Motorolla-68000 с 70 000 элементами, а в 1981 г. - первый 32-битный микропроцессор Hewlett Packard с 450 тыс. элементами.

Первым ПК можно считать Altair-8800, созданный на базе микропроцессора Intel-8080 в 1974 г. Эдвардом Робертсом. Компьютер рассылался по почте, стоил всего 397 долларов и имел возможности для расширения периферийными устройствами (всего 256 байт ОЗУ!!!).

Рисунок 11 - Altair-8800

Для Altair-8800 Пол Аллен и Бил Гейтс создали транслятор с популярного языка Basic, существенно увеличив интеллектуальность первого ПК (впоследствии они основали знаменитую теперь компанию Microsoft Inc). Комплектация ПК цветным монитором привела к созданию конкурирующей модели ПК Z-2; через год после появления первого ПК Altair-8800 их в производство ПК включилось более 20 различных компаний и фирм; начала формироваться ПК-индустрия (собственно производство ПК, их сбыт, периодические и непериодические издания, выставки, конференции и т.д.). А уже в 1977 г. были запущены в серийное производство три модели ПК Apple-2 (фирма Apple Computers), TRS-80 (фирма Tandy Radio Shark) и PET (фирма Commodore), из которых в конкурентной борьбе сначала отстающая фирма Apple становится вскоре лидером производства ПК (ее модель Apple-2 имела огромный успех). К 1980 г. корпорация Apple выходит на Уолл-стрит с самым большим акционерным капиталом и годовым доходом в 117 млн долларов.

Но уже в 1981 г. фирма IBM, во избежание потери массового рынка, начинает выпуск своих ныне широко известных серий ПК IBM PC/XT/AT и PS/2, открывших новую эпоху персональной ВТ. Выход на арену ПК-индустрии гиганта IBM ставит производство ПК на промышленную основу, что позволяет решить целый ряд важных для пользователя вопросов (стандартизация, унификация, развитое программное обеспечение и др.), которым фирма уделяла большое внимание уже в рамках производства серий IBM/360 и IBM/370. Можно с полным основанием полагать, что за короткий период времени, прошедший с дебюта Altair-8800 до IBM PC, к ВТ приобщилось больше людей, чем за весь долгий период - от аналитической машины Бэбиджа до изобретения первых ИС" [3].

Сейчас ведутся интенсивные разработки ЭВМ V поколения. Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

"Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальными знаниями в этой области. ЭВМ будет помощником человеку во всех областях."[4]

Однако мощности будут продолжать расти. Это необходимо для решения глобальных задач, которыми будут заниматься суперкомпьютеры.

"Суперкомпьютер - вычислительная установка, ЭВМ мелкосерийного или штучного выпуска, многократно превосходящая по вычислительной мощности массово выпускаемые компьютеры, когда быстродействие измеряется в миллионах/триллионах операций в секунду. Суперкомпьютер - машина, нацеленная, прежде всего на масштабные вычисления, а значит на снижение времени выполнения сложных, как правило, инженерных или научных расчетов. Сверхмощные компьютеры также относят к 5 поколению компьютеров.

Изначально супермашины использовались для военно-промышленного комплекса и трудились над предсказанием последствий ядерных, термоядерных и водородных взрывов. Перевести тестирование нейтронных и ядерных бомб из физического пространства в виртуальное ведущих сверхдержав заставил подписанный в 1996 году Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний."[2] Сейчас также суперкомпьютеры используют в геофизических исследованиях, при прогнозировании погоды, расшифровке генома человека, для решения глобальных задач, таких как расчет аэродинамики автомобилей и свойств разнообразных наноструктур, в ЗD-моделировании

"Первой ЭВМ, открывающей собственно класс супер-ЭВМ, можно считать модель Amdahl 470V16, созданную в 1975 г. и совместимую с IBM-серией. Машина использовала эффективный принцип распараллеливания на основе конвейерной обработки команд, а элементная база использовала БИС-технологию. В настоящее время к классу супер-ЭВМ относят модели, имеющие среднее быстродействие не менее 20 мегафлопсов (1 мегафлопс = 1 млн операций в с плавающей точкой в секунду). Первой моделью с такой производительностью явилась во многом уникальная ЭВМ ILLIAC-IV, созданная в 1975 г. в США и имеющая максимальное быстродействие порядка 50 мегафлопсов. Данная модель оказала огромное влияние на последующее развитие супер-ЭВМ с матричной архитектурой. Яркая страница в истории супер-ЭВМ связана с Cray-серией С. Крея, первая модель Cray-1 которой была создана в 1976 г. и имела пиковое быстродействие в 130 мегафлопсов.

Рисунок 12 - Cray-1

Архитектура модели базировалась на конвейерном принципе векторной и скалярной обработки данных с элементной базой на СБИС. Именно данная модель положила начало классу современных супер-ЭВМ. Следует отметить, что не смотря на ряд интересных архитектурных решений, успех модели был достигнут, в основном, за счет удачных технологических решений. Последующие модели Cray-2, Cray Х-МР, Cray-3, Cray-4 довели производительность серии до порядка 10 тыс. мегафлопсов, а модель Cray МР, использующая новую архитектуру на 64 процессорах и элементную базу на новых кремниевых микросхемах, обладала пиковой производительностью порядка 50 гигафлопсов."[3]

"На сегодняшний день самым мощным суперкомпьютером является IBM Roadrunner. IBM построили этот компьютер для Министерства Энергетики США. Он построен по гибридной схеме из 6 500 двухъядерных процессоров AMD Opteron и почти 13 000 процессоров IBM Cell 8i в специальных стойках TriBlades, соединенных с помощью Infiniband.

Рисунок 13 - IBM Roadrunner

Суперкомпьютер Roadrunner работает под управлением Linux и управляется по xCAT. Он занимает приблизительно 1100 квадратных метров, и весит 226 тонн. Энергопотребление - 3,9 мегаватт. Вступил в строй в июне 2008. Стоимость IBM Roadrunner составила 133 миллиона долларов."[2]

Мощность сегодняшних персональных компьютеров постоянно увеличивается, а область применения расширяется. Компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты позволяют пользователям компьютеров с помощью обычной телефонной сети посылать текстовые и факсимильные сообщения в другие города и страны и получать информацию из крупных банков данных. Глобальная система электронной связи Intеrnеt обеспечивает за крайне низкую цену возможность оперативного получения информации из всех уголков земного шара, предоставляет возможности голосовой и факсимильной связи, облегчает создание внутрикорпоративных сетей передачи информации для фирм, имеющих отделения в разных городах и странах.

Для многих мир без компьютера - далекая история, примерно такая же далекая, как открытие Америки или Октябрьская революция.

Список использованной литературы

1. А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хённер. Информатика: учеб пособие: Академия, 2004. 848с.

2. Суперкомпьютеры//Tradviser. URL: http://www.tadviser.ru

3. Поколения ЭВМ//Сайт АлтГТУ. URL: http://wiki.mvtom.ru

4. История ЭВМ//История развития вычислительной техники. URL: http://istrasvvt.narod.ru

5. История вычислительной техники//Википедия.URL: http://ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru