Как называется первый электронный компьютер
История электронных компьютеров, часть 1: пролог
Атанасов
В 1930-м Атанасов, родившийся в Америке сын эмигранта из османской Болгарии, достиг, наконец, своей юношеской мечты и стал теоретическим физиком. Но, как и с большинством подобных стремлений, реальность оказалась не такой, на какую он рассчитывал. В частности, как большинство студентов инженерных и физических наук первой половины XX века, Атанасову приходилось страдать от мучительных тягот постоянных вычислений. Его диссертация в Висконсинском университете по поляризации гелия потребовала восьми недель нудных вычислений при помощи механического настольного калькулятора.
Джон Атанасов в юности
К 1935 году, уже устроившись в должности профессора в Университете штата Айова, Атанасов решил что-нибудь сделать с этим бременем. Он начал прикидывать возможные пути постройки новой, более мощной вычислительной машины. Отвергнув аналоговые методы (такие, как дифференциальный анализатор MIT) по причинам ограниченности и неточности, он решил построить цифровую машину, работавшую с числами как с дискретными значениями, а не как с непрерывными измерениями. Он с юности был знаком с двоичной системой счисления и понимал, что она гораздо лучше ложится на структуру вида вкл/выкл цифрового переключателя, чем привычные десятичные числа. Поэтому он решил делать двоичную машину. И, наконец, он решил, что чтобы она была наиболее быстрой и гибкой, она должна быть электронной, и использовать электронные лампы для вычислений.
Атанасову необходимо было определиться и с пространством задач — для каких именно подсчётов должен был подойти его компьютер? В итоге он решил, что он будет заниматься решением систем линейных уравнений, низводя их до единственной переменной (при помощи метода Гаусса) — таких же вычислений, что преобладали в его диссертации. Он будет поддерживать до тридцати уравнений, до тридцати переменных в каждом. Такой компьютер мог бы решать важные для учёных и инженеров задачи, и при этом вроде бы не был неимоверно сложным.
Произведение искусства
К середине 1930-х электронная технология достигла чрезвычайного разнообразия по сравнению с истоками, появившимися за 25 лет до этого. Две разработки особенно хорошо подходили к проекту Атанасова: реле-триггер и электронный счётчик.
С XIX века инженеры телеграфа и телефона имели в своём распоряжении удобное устройство под названием переключатель. Переключатель — это бистабильное реле, использующее постоянные магниты для удержания его в том состоянии, в котором вы его оставили — открытом или закрытом — до тех пор, пока оно не получит электрический сигнал на переключение состояний. Но электронные лампы не были на это способны. У них не было механического компонента, и они могли быть «открыты» или «закрыты» пока электричество текло или не текло по контуру. В 1918 году два британских физика, Уильям Эклз и Фрэнк Джордан связали проводами две лампы так, что получилось «реле-триггер» — электронное реле, постоянно остающееся включённым после включения от начального импульса. Эклз и Джордан создали свою систему для телекоммуникационных целей для Британского адмиралтейства в конце Первой Мировой войны. Но контур Эклза-Джордана, позднее ставший известным, как триггер [англ. flip-flop] можно было рассматривать и как устройство для хранения двоичной цифры — 1, если сигнал передаётся, и 0 в другом случае. Таким способом через n триггеров можно было представить двоичное число n разрядов.
Лет через десять после триггера произошёл второй серьёзный прорыв в электронике, столкнувшийся с миром вычислений: электронные счётчики. И снова, как это часто случалось в ранней истории вычислений, скука стала матерью изобретения. Физикам, изучавшим излучение субатомных частиц, приходилось либо слушать щелчки, либо часами изучать фотографические записи, подсчитывая количество обнаружений для измерения скорости излучения частиц различными веществами. Механические или электромеханические счётчики представляли соблазнительную возможность облегчить эти действия, но они двигались слишком медленно: они не могли зарегистрировать множество событий, происходивших с разницей в миллисекунды.
Ключевой фигурой в решении этой проблемы стал Чарльз Эрил Уинн-Уильямс, работавший под началом Эрнеста Резерфорда в Лаборатории Кавендиша в Кембридже. Уинн-Уильямс ловко обращался с электроникой, и уже использовал лампы (или клапаны, как их называли в Британии) для создания усилителей, благодаря которым можно было слышать происходящие с частицами события. В начале 1930-х он понял, что клапаны можно использовать для создания счётчика, который он назвал «счётчиком двоичной шкалы» — то есть, двоичного счётчика. По сути, это был набор триггеров, которые могли передавать переключения вверх по цепочке (на практике он использовал тиратроны, типы ламп, содержащих не вакуум, а газ, которые могли оставаться во включённом положении после полной ионизации газа).
Счётчик Уинна-Уильямса быстро вошёл в набор необходимых лабораторных устройств для всех, кто занимался физикой частиц. Физики строили очень маленькие счётчики, часто содержавшие по три знака (то есть, способные считать до семи). Этого было достаточно для создания буфера для медленного механического счётчика, и для записи событий, происходящих быстрее, чем их мог зарегистрировать счётчик с медленно движущимися механическими частями.
Но в теории такие счётчики можно было расширить до чисел произвольного размера или точности. Это были, строго говоря, первые цифровые электронные счётные машины.
Компьютер Атанасова-Берри
Атанасов был знаком с этой историей, что и убедило его в возможности постройки электронного компьютера. Но он не стал напрямую использовать двоичные счётчики или триггеры. Сначала для основы счётной системы он попытался использовать немного изменённые счётчики — ведь что такое сложение, как не повторяющийся подсчёт? Но по каким-то причинам он не смог сделать счётные контуры достаточно надёжными, и ему пришлось разработать свои схемы сложения и умножения. Он не мог использовать триггеры для временного хранения двоичных чисел, поскольку у него был ограничен бюджет, и была поставлена амбициозная цель по одновременному хранению тридцати коэффициентов. Как мы скоро увидим, эта ситуация имела серьёзные последствия.
К 1939 году Атанасов закончил проектировать свой компьютер. Теперь ему требовался человек с подходящими знаниями для его постройки. Он нашёл такого человека в лице выпускника инженерного департамента Института штата Айова по имени Клиффорд Берри. К концу года Атанасов и Берри построили небольшой прототип. В следующем году они закончили полную версию компьютера на тридцать коэффициентов. В 1960-х писатель, раскопавший их историю, назвал его компьютером Атанасова-Берри (Atanasoff-Berry Computer, ABC), и имя прижилось. Однако всех недостатков устранить не удалось. В частности, ABC давал ошибку примерно в одной двоичной цифре на 10000, что для любого крупного вычисления было бы фатальным.
Клиффорд Берри и ABC в 1942-м
Тем не менее, в Атанасове и его ABC можно найти корни и источник всех современных компьютеров. Разве не создал он (при умелой помощи Берри) первый двоичный электронный цифровой компьютер? Разве это не основные характеристики миллиардов устройств, формирующих и управляющих экономикой, обществом и культурой по всему миру?
Но вернёмся назад. Прилагательные цифровой и двоичный не являются прерогативой ABC. К примеру, вычислитель комплексных чисел Белла (Bell Complex Number Computer, CNC), разработанный примерно в то же время, был цифровым, двоичным, электромеханическим компьютером, способным вести вычисления на комплексной плоскости. Также ABC и CNC были похожи в том, что решали задачи в ограниченной области, и не могли, в отличие от современных компьютеров, принимать произвольную последовательность инструкций.
Остаётся «электронный». Но, хотя математические внутренности ABC были электронными, работал он на электромеханических скоростях. Поскольку Атанасов и Берри по финансовым соображениям не могли использовать электронные лампы для хранения тысяч двоичных цифр, они использовали для этого электромеханические компоненты. Несколько сотен триодов, выполнявших основные математические расчёты, были окружены вращающимися барабанами и жужжащими перфорирующими машинами, где хранились промежуточные значения всех вычислительных шагов.
Атанасов и Берри совершили героическую работу над тем, чтобы считывать и записывать данные на перфокарты с огромной скоростью, прожигая их электричеством вместо того, чтобы делать в них отверстия механически. Но это привело к своим проблемам: именно аппарат для прожигания был в ответе за 1 ошибку на 10000 чисел. Более того, даже при наибольших их усилиях машина не могла «пробивать» быстрее одной строки в секунду, поэтому ABC мог проводить лишь одно вычисление в секунду каждым из тридцати арифметических устройств. Оставшееся время электронные лампы сидели без дела, в нетерпении «барабаня пальцами по столу», пока вся эта машинерия мучительно медленно вращалась вокруг них. Атанасов и Берри пристегнули породистого скакуна к телеге с сеном. (Руководитель проекта по воссозданию ABC в 1990-х годах оценивал максимальную скорость машины, с учётом всех трат времени, включая работу оператора по заданию задачи, в пять сложений или вычитаний в секунду. Это, конечно, быстрее человека-вычислителя, но не та скорость, которую мы связываем с электронными компьютерами.)
Схема ABC. Барабаны хранили временный ввод и вывод на конденсаторах. Тиратроновая схема пробивания карточек и считыватель карт записывали и считывали результаты целого шага работы алгоритма (устраняя одну из переменных из системы уравнений).
Работы над ABC застопорились в середине 1942 года, когда Атанасов и Берри записались в быстро растущую военную машину США, где требовались не только тела, но и мозги. Атанасова призвали в Морскую артиллерийскую лабораторию в Вашингтоне, чтобы он руководил командой, разрабатывавшей акустические мины. Берри женился на секретарше Атанасова и нашёл себе работу в работавшей на военных по контракту компании в Калифорнии, чтобы его не призвали на войну. Атанасов какое-то время пытался запатентовать своё творение в штате Айова, но безуспешно. После войны он занялся другими вещами, и больше уже не занимался компьютерами всерьёз. Сам компьютер отправили на свалку в 1948, чтобы освободить в офисе место для нового выпускника института.
Возможно, Атанасов просто начал работать слишком рано. Он основывался на скромных университетских грантах, и мог потратить всего несколько тысяч долларов на создание ABC, поэтому экономность вытеснила все остальные проблемы в его проекте. Если бы он подождал до начала 1940-х, он мог бы получить правительственный грант на полноценное электронное устройство. И в таком состоянии — с ограниченным применением, со сложным управлением, ненадёжный, не очень быстрый — ABC не стал многообещающей рекламой пользы электронных вычислений. Американская военная машина, несмотря на весь вычислительный голод, бросила ABC ржаветь в городке Эймс штата Айова.
Вычислительные машины войны
Первая Мировая война создала и запустила систему массивной накачки инвестиций в науку и технологию, и подготовила её ко Второй Мировой. Всего за несколько лет практика ведения войны на земле и на море перешла к использованию отравляющих газов, магнитных мин, воздушной разведки и бомбардировки, и проч. Ни один политический и военный лидер не мог не заметить таких быстрых преобразований. Они были настолько быстрыми, что достаточно рано начатые исследования могли склонить чашу весов в ту или другую сторону.
Так и зарождающаяся область автоматических вычислений получила свою долю военного финансирования, пусть и в гораздо меньших масштабах. Мы уже отмечали разнообразие электромеханических вычислительных проектов, порождённых войной. Потенциал компьютеров на базе реле был, относительно говоря, известен, поскольку телефонные станции с тысячами реле к тому времени работали уже много лет. Электронные компоненты ещё не доказали своей работоспособности на таких масштабах. Большая часть экспертов считала, что электронный компьютер неминуемо будет ненадёжным (ABC служил примером), или его постройка отнимет слишком много времени. Несмотря на внезапный приток государственных денег, военных проектов по электронным вычислениям было мало, и они были редки. Запущено было всего три, и всего два из них привели к появлению работоспособных машин.
В Германии инженер по телекоммуникациям Гельмут Шрейер доказал своему другу Конраду Цузе ценность электронной машины перед электромеханическим «V3», который Цузе строил для воздушной индустрии (впоследствии он стал известен, как Z3). Цузе в итоге согласился работать над вторым проектом вместе со Шрейером, и Исследовательский институт авиации предложил финансировать прототип на 100 ламп в конце 1941 года. Но двое мужчин сначала занялись более приоритетной военной работой, а затем их работу сильно замедлили повреждения, вызванные бомбёжками, в результате они так и не смогли заставить свою машину надёжно работать.
Цузе (справа) и Шрейер (слева) работают над электромеханическим компьютером в берлинской квартире родителей Цузе
А первый электронный компьютер, выполнявший полезную работу, был создан в секретной лаборатории в Британии, где инженер по телекоммуникациям предложил новый радикальный подход к криптоанализу на основе клапанов. Эту историю мы раскроем в следующий раз.
Первое поколение компьютеров: от Древнего Рима до Второй Мировой
Лень — двигатель прогресса. Стремление человечества хотя бы частично автоматизировать свою деятельность всегда выливалось в различные изобретения. Математические вычисления и подсчеты также не избежали научного прогресса. Ещё в Древнем Риме местные «таксисты» использовали аналог современного таксометра — механическое устройство, которое определяло стоимость поездки в зависимости от длины маршрута. Время шло, и к середине прошлого века эволюция вычислительных систем привела к появлению нового типа устройств — компьютеров. Тогда, конечно, их так никто не называл. Для этого использовался другой термин — ЭВМ (электронно-вычислительная машина). Но время и прогресс стерли границы между этими определениями. Так как же прогресс дошел до первых ЭВМ и как они работали?
История развития
Арифмометр
Данная машина представляла собой 13-разрядную суммирующую машину.
В следующем году вокруг этой машины начали появляться различные возражения, а именно по поводу её механизма. Существовало мнение о том, что машина да Винчи представляет собой механизм пропорционирования, а не счетную машину. Также возникал вопрос и о её работе: по идее, 1 оборот первой оси вызывает 10 оборотов второй, 100 оборотов третьей и 10 в степени n оборотов n-ной оси. Работа такого механизма не могла осуществляться из-за огромной силы трения. По итогу голоса сторонников и противников счетной машины Леонардо да Винчи разделились, но, тем не менее, IBM решила убрать эту модель из коллекции
Но, оставим наработки Леонардо Да Винчи. Расцвет арифмометров пришелся на 17 век. Первой построенной моделью стал арифмометр Вильгельма Шиккарда в 1623 году. Его машина была 6-разрядной и состояла из 3 блоков — множительного устройства, блока сложения-вычитания и блока записи промежуточных результатов.
Копия арифмометра Шиккарда
Также 17 век отметился ещё несколькими арифмометрами: «паскалина» за авторством Блеза Паскаля, арифмометр Лейбница и машина Сэмюэля Морленда. В промышленных масштабах арифмометры начали производиться в начале 19 века, а распространены были практически до конца 20-го.
Аналитическая и разностная машины Бэббиджа
Чарльз Бэббидж — английский математик, родившийся в конце 18 века. На его счету числится большое количество научных работ и изобретений. Но в рамках данной статьи нас интересуют два его проекта: аналитическая машина и разностная машина.
Идея о создании разностной машины не принадлежит Чарльзу Бэббиджу. Она впервые была описана немецким инженером Иоганном Мюллером в книге с очень сложным названием. До конца не ясно, повлияли ли на Бэббиджа идеи Мюллера при создании разностной машины, поскольку Чарльз ознакомился с его работой в переводе, дата создания которого неизвестна.
Книга Иоганна Мюллера
Считается, что основные идеи для создания разностной машины Бэббидж взял из работ Гаспара де Прони и его идей о декомпозиции математических работ. Его идея заключалась в следующем: есть 3 уровня, на каждом из которых математики занимаются решением определенных проблем. На верхнем уровне находятся самые крутые математики и их задача — вывод математических выражений, пригодных для расчетов. У математиков на втором уровне стояла задача вычислять значения функций, которые вывели на верхнем уровне, для аргументов, с определенным периодом. Эти значения становились опорными для третьего уровня, задачей которого являлись рутинные расчеты. От них требовалось делать только грамотные вычисления. Их так и называли — «вычислители». Эта идея навела Бэббиджа на мысль о создании машины, которая могла бы заменить «вычислителей». Машина Бэббиджа основывалась на методе аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Собственно, поэтому машина и называется разностной.
В 1822 году Бэббидж построил модель разностной машины и заручился государственной поддержкой в размере 1500 фунтов стерлингов. Он планировал, что закончит машину в течение 3 лет, но по итогу работа была не завершена и через 9 лет. За это время он получил ещё 15500 фунтов стерлингов в виде субсидий от государства. Но всё же часть машины функционировала и производила довольно точные (>18 знаков после запятой) расчеты.
Созданная на основе работ Бэббиджа разностная машина
Во время работы над разностной машиной у Чарльза Бэббиджа возникла идея о создании аналитической машины — универсальной вычислительной машины. Её называют прообразом современного цифрового компьютера, и не зря. Она состояла из арифметического устройства (»мельницы»), памяти (»склада») и устройства ввода-вывода, реализованного с помощью перфокарт различного типа. К сожалению, данная идея осталась лишь на бумаге.
Схема аналитической машины Бэббиджа
Табулятор
История электромеханических машин начинается в 1888 году, когда американский инженер Герман Холлерит, основатель компании CTR (будущая IBM), изобрел электромеханическую счетную машину — табулятор, который мог считывать и сортировать данные, закодированные на перфокартах. В аппарате использовались электромагнитные реле, известные еще с 1831 года и до Холлерита не применявшиеся в счетной технике. Управление механическими счетчиками и сортировкой осуществлялось электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Импульсы использовались и для ввода чисел, и для управления работой машины. Поэтому табулятор Холлерита можно считать первой счетной электромеханической машиной с программным управлением. Машину полностью построили в 1890 году и использовали при переписи населения США в том же году. Впоследствии табуляторы использовались вплоть до 1960-х — 1970-х годов в бухгалтерии, учете, обработке данных переписей и подобных работах. И даже если в учреждении имелась полноценная ЭВМ, табуляторы все равно использовали, чтобы не нагружать ЭВМ мелкими задачами.
Электромеханические машины времен ВМВ
В 1937 году Клод Шеннон в своей работе A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits показал, что электронные связи и переключатели могут представлять выражения булевой алгебры. Машины тех лет можно условно на два типа: электромеханические (основанные на электромагнитных переключателях) и электронные (полностью на электровакуумных лампах). К первым относились американский Harvard Mark I и компьютеры немецкого инженера Конрада Цузе.
Mark I
Работа над Mark I началась в 1939 году в Endicott laboratories по субподрядному договору с IBM. В качестве основы использовались наработки Чарльза Бэббиджа. Компьютер последовательно считывал инструкции с перфоленты, условного перехода не было, циклы организовывались в виде склеенных в кольцо кусков перфоленты. Принцип разделения данных и инструкций в Mark I получил известность как Гарвардская архитектура. Машину закончили в 1944 году и передали в ВМФ США. Характеристики:
В 1936 немецкий инженер Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем Z1. Первые две модели из серии Z были демонстративными. Следующий же компьютер, Z3, который закончили в 1941, имел практическое применение: с его помощью делали аэродинамические расчеты (стреловидные крылья самолетов, управляемые ракеты). Машина была выполнена на основе телефонных реле. Инструкции считывались с перфорированной пленки. Так же, как в Mark I, отсутствовали инструкции условного перехода, а циклы реализовывались закольцованной перфолентой. Z3 имел некоторые преимущества перед своими будущими собратьями (ENIAC, Mark I): вычисления производились в двоичной системе, устройство позволяло оперировать числами с плавающей точкой. Так как Цузе изначально исходил из гражданских интересов, его компьютеры более близки к современным, чем тогдашние аналоги. В 1944 году практически был завершен Z4, в котором уже присутствовали инструкции условного перехода. Характеристики Z3:
Первые ламповые компьютеры
Однозначно определить первый в мире компьютер сложно. Многими учеными определение первого поколения основывается на вычислительной базе из электронных ламп. При этом первое поколение компьютеров разрабатывалось во время Второй мировой войны. Возможно, созданные в то время компьютеры засекречены и по сей день. В целом выделяют два возможных первенца — ENIAC и Colossus
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Computer (Электронный числовой интегратор и вычислитель) или ENIAC создавался по заказу от армии США для расчета баллистических таблиц. Изначально, подобные расчеты производились людьми и их скорость не могла соотноситься с масштабом военных действий. Построен компьютер был лишь к осени 1945 года.
Colossus
Colossus в отличие от ENIAC был очень узконаправленной машиной. Он создавался исключительно с одной целью — декодирование немецких сообщений, зашифрованных с помощью Lorenz SZ. Эта машина было схожа с немецкой Enigma, но состояла из большего числа роторов. Для декодирования этих сообщений было решено создать Colossus. Он включал в себя 1500 электронных ламп, потреблял 8,5 КВт и обладал тактовой частотой в 5.8 МГц. Такое значение частоты достигалось за счет того, что Colossus был создан для решения только одной задачи и применяться в других областях не мог. К концу войны на вооружении Британии стояло 10 таких машин. После войны все они были уничтожены, а данные о них засекречены. Только в 2000 году эта информация была рассекречена.
Реконструированная модель Colossus
Принцип работы
Вакуумные лампы
Радиолампа представляет собой стеклянную колбу с электродами, из которой откачан воздух. Простейшая разновидность ламп — диод, состоящий из катода и анода, а также спирали, разогревающей катод до температур, при которых начинается термоэлектронная эмиссия. Электроны покидают катод и под действием разности потенциалов притягиваются к аноду. В обратном направлении заряд не переносится, так как заряженных ионов в колбе нет (вакуум). При изменении полярности электроны, покинувшие разогретый электрод, будут притягиваться обратно. До второго электрода они долетать не будут, отталкиваясь от него из-за отрицательного потенциала. Если добавить еще один электрод, то получится триод. В электровакуумном триоде устанавливается сетка между катодом и анодом. При подаче на сетку отрицательного потенциала она начинает отталкивать электроны, не позволяя им достичь анода. При подаче модулированного сигнала ток будет повторять изменения потенциала на сетке, поэтому изначально триоды использовали для усиления сигналов.
Радиолампа и схема триггера на двух триодах
Если взять два триода и соединить анод каждого с сеткой другого, то мы получим триггер. Он может находиться в одном из двух состояний: если через один триод идет ток (триод открыт), то на сетке второго триода появляется потенциал, препятствующий току через второй триод (триод закрыт). Если кратковременно подать отрицательный потенциал на сетку открытого триода, то мы прекратим ток через него, что откроет второй триод, который уже закроет первый. Триоды поменяются местами. Таким образом можно хранить один бит информации. Через другие схемы триодов можно строить логические вентили, реализующие конъюнкцию, дизъюнкцию и отрицание, что позволяет создать электронно-вычислительное устройство.
Запоминающее устройство
На первых порах развития ЭВМ использовались разные подходы к созданию запоминающих устройств. Помимо памяти на триггерах из радиоламп и на электромагнитных реле (как в Z3) имелись следующие виды:
Линии задержки
Основная идея линий задержки возникла в ходе разработки радаров во время Второй мировой войны. В первых ЭВМ в качестве линий использовались трубки с ртутью (у нее очень низкое затухание ультразвуковых волн), на концах которой располагались передающий и принимающий пьезокристаллы. Информация подавалась с помощью импульсов, модулированных высокочастотным сигналом. Импульсы распространялись в ртути. Информационная емкость трубки в битах равнялась максимальному количеству одновременно передаваемых импульсов. Единица кодировалось присутствием импульса на определенном «месте», ноль — отсутствием импульса. Приемный пьезокристалл передавал импульс на передающий — информация циркулировала по кругу. Для записи вместо регенерации импульсов вводились записываемые. Такой вид памяти использовался в компьютерах EDVAC, EDSAC и UNIVAC I.
Запоминающее устройство на ртутных акустических линиях задержки в UNIVAC I
Запоминающие электронно-лучевые трубки (трубки Уильямса)
При попадании электронного луча на точку на люминофорном экране происходит вторичная эмиссия и участок люминофора приобретает положительный заряд. Благодаря сопротивлению люминофорного слоя, точка долю секунды держится на экране. Однако, если не отключать луч сразу, а сдвинуть его в сторону от точки, рисуя тире, то электроны, испущенные во время эмиссии, поглощаются точкой, и та приобретает нейтральный заряд. Таким образом, если выделить N точек, то можно записать N бит информации (1 — нейтральный заряд, 0 — положительный заряд). Для считывания информации используется доска с электродами, прикрепленная к внешней стороне экрана. Электронный луч снова направляется в точку, и та приобретает положительный заряд независимо от изначального. С помощью электрода можно определить величину изначального заряда (значение бита), однако информация уничтожается (после каждого считывания нужна перезапись). Так как люминофор быстро теряет заряд, необходимо постоянно считывать и записывать информацию. Такой вид памяти использовался в Манчестерском Марк I и Ferranti Mark1; американских IBM 701 и 702
Магнитные барабаны
Магнитные барабаны чем-то похожи на современные магнитные диски. На поверхность барабана был нанесен тонкий ферромагнитный слой. Несколько считывающих головок, расположенных по образующим диска, считывают и записывают данные на своей отдельной магнитной дорожке.
Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана строилась на следующих принципах:
Основным недостатком этой архитектуры является ограничение пропускной способности между памятью и процессором. Из-за того, что программа и данные не могут считываться одновременно, пропускная способность между памятью и процессором существенно ограничивает скорость работы процессора. В дальнейшем, данную проблему решили с помощью введения кеша, что вызвало другие проблемы( например, уязвимость Meltdown).
Справедливости ради необходимо уточнить, что данные идеи не являются идеями Джона фон Неймана в полной степени. Также в их разработке участвовали ещё несколько ученых, пионеров компьютерной техники: Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мокли.
Гарвардская архитектура
Языки
В самых первых компьютерах программы считывались с перфоленты (как в Z3 и Mark I). Устройство чтения перфоленты предоставляло управляющему устройство код операции для каждой инструкции и адреса памяти. Затем управляющее устройство все это декодировало, посылало управляющие сигналы вычислительному блоку и памяти. Набор инструкций жестко задавался в схеме, каждая машинная инструкция (сложение, сдвиг, копирование) реализовывалась непосредственно в схеме. В ENIAC для изменения программы его нужно было перекоммутировать заново, на что уходило значительное время. Машинные коды считают первым поколением языков программирования.
Перфорированная лента с программой вычислений
Первые программисты всегда имели при себе блокнот, в который они записывали наиболее употребляемые подпрограммы — независимые фрагменты программы, вызываемые из главной подпрограммы, например извлечение корня или вывод символа на дисплей. Проблема состояла в том, что адреса расположения переменных и команд менялись в зависимости от размещения в главной программе. Для решения этой проблемы кембриджские программисты разработали набор унифицированных подпрограмм (библиотеку), которая автоматически настраивали и размещали подпрограммы в памяти. Морис Уилкс, один из разработчиков EDSAC (первого практически реализованного компьютера с хранимой в памяти программой), назвал библиотеку подпрограмм собирающей системой (assembly system). Теперь не нужно было собирать программу вручную из машинных кодов, специальная программа (ассемблер) «автоматически» собирала программу. Первые ассемблеры спроектированы Кэтлин Бут в 1947 под ARC2 и Дэвидом Уилером в 1948 под EDSAC. При этом сам язык (мнемоники) называли просто множеством базовых команд или начальными командами. Использовать слово «ассемблер» для процесса объединения полей в командное слово начали в поздних отчетах по EDSAC. Ассемблер можно назвать вторым поколением языков.
«Начальные команды» для EDSAC
Компьютеры первого поколения в СССР
После Второй мировой войны часть немецких разработок в области компьютерных технологий перешли СССР. Ведущие специалисты сразу заинтересовались возможностями ЭВМ, а правительство согласилось, что устройства для быстрых и точных вычислений — это перспективное направление.
МЭСМ и БЭСМ
В 1948 году основоположник советской вычислительной техники С.А. Лебедев направил в Академию наук СССР докладную записку: в ней сообщалось о необходимости создания ЭВМ для практического использования и научного прогресса. Для разработки этой машины под Киевом, в Феофании институту отвели здание, ранее принадлежавшее монастырю. Через 2 года МЭСМ (малая электронная счетная машина) произвела первые вычисление — нахождение корней дифференциального уравнения. В 1951 году инспекция из академии наук приняла работу Лебедева. МЭСМ имела сложную трехадресную систему команд и следующие характеристики:
В 1950 году Лебедева перевели в Москву. Там он начал работать над БЭСМ-1 и к 1953 году построил опытный образец, отличавшийся отличной производительностью. Характеристики были следующими:
Серия «М» и «Стрела»
В тоже время в Москве велась работа над М-1. М-1 была намного менее мощной, чем МЭСМ, но при этом занимала намного меньше места и тратила меньше энергии. Характеристики М-1:
В 1952 году на свет выпустили М-2. Её мощность увеличилась практически в 100 раз, при этом количество ламп увеличилось только вдвое. Подобный результат получился благодаря использованию управляющих полупроводниковых диодов. Характеристики М-2 были следующие:
В «массовое» производство первой попала «Стрела». Всего было произведено 7 штук. Характеристики «Стрелы» были следующие:
Во многих смыслах «Стрела» была хуже М-2. Она выполняла всё те же 2 тысячи операций в секунду, но при этом занимала на порядок больше места и тратила в несколько раз больше электричества. М-2 не попала в массовое производство, поскольку её создатели не уложились в срок. М-1 не обладала хорошей производительностью и к моменту, когда М-2 была доведена до ума, «Стрела» была отдана в производство.
Следующий потомок серии «М» — М-3 вышел в 1956 году и был в каком-то смысле урезанным вариантом. Она выполняла порядка 30 операций в секунду, но при этом занимала мало места, благодаря чему пошла в серийное производство. Характеристики М-3 были следующие:
Эпилог
Без технологического рывка, сделанного в 40-е годы, и четко сформированного вектора развития вычислительной техники, возможно, сегодня мы бы и не сидели в компьютерах и телефонах, читая статейки на хабре. Как показал опыт разных ученых, порой уникальные и революционные для своего времени образцы вычислительной техники не были востребованы как государством, так и обществом (например, машины серии Z Конрада Цузе). Переход ко второму поколению компьютеров во многом определился сменой вакуумных ламп на транзисторы и изобретением накопителей на ферритовых сердечниках. Но это уже другая история…
Облачные серверы от Маклауд быстрые и надежные. Без древнего железа.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!