Развитие ЭВМ в XX веке

Идеи по созданию универсальной программируемой счетной машины, выдвинутые в XIX веке Беббиджем, удалось технически воплотить только в сороковые годы XX века.

Работы над проектами цифровых вычислительных машин велись одновременно в нескольких странах. Но первым свою разработку представил в 1941 году в Германии инженер Конрад Цузе. Это был автоматический универсальный цифровой компьютер, имеющий название Z3 (рис.3.13). В качестве переключательных устройств, обеспечивающих возможность работы с двоичной системой счисления, были применены электромеханические реле (рис. 3.14).

Рис. 3.13. Релейный двоичный компьютер Z3	Рис. 3.14 Электромеханическое реле

Для работы этой компьютера требовалось приблизительно 2600 реле. Они были установлены в трех стойках, каждая из которых имела высоту два метра и ширину один метр. Управление осуществлялось посредством перфоленты, сделанной из использованной кинопленки, а ввод и вывод производился с четырехкнопочной клавиатуры и ламповой панели. Z3 мог выполнять не больше четырех сложений в секунду и перемножать два числа за 4–5 секунд.

Этот компьютер создавался для решения систем линейных уравнений, но ограниченная память не позволяла этого делать. Поэтому для серьезных проблем он никогда не применялся. Единственная модель Z3 была разрушена во время воздушного налета в 1944 году. Тем не менее, Z3 считается первым полностью сформированным компьютером с автоматическим контролем над операциями.

Главным недостатком этой разработки было использование в качестве переключательных элементов электромеханических реле. Прохождение сигнала вызывало искру при размыкании и замыкании контактов. А это приводило к коррозии контактов, быстрому износу и отказам реле.

В 1942 году американский физик Джон Моучли (John Mauchly) (1907–1980), после детального ознакомления с проектом Атанасова, представил собственный проект вычислительной машины. В работе нал проектом ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный числовой интегратор и калькулятор (рис. 3.15)) под руководством Джона Моучли и Джона Эккерта (John Presper Eckert) участвовало 200 человек.

Рис. 3.15. ЭВМ ENIAC в 1942 г.

Одновременно с постройкой ENIAC, так же в обстановке секретности, создавалась ЭВМ в Великобритании. Секретность была необходима потому, что проектировалось устройство для дешифровки кодов, которыми пользовались вооруженные силы Германии в период второй мировой войны. Математический метод дешифровки был разработан группой математиков, в число которых входил Алан Тьюринг (Alan Turing). В течение 1943 года в Лондоне была построена машина Colossus (рис 3.16) на 1500 электронных лампах. Разработчики машины ― М.Ньюмен и Т.Ф.Флауэрс.

Рис. 3.16. ЭВМ Colossus	Рис. 3.17. ЭВМ ENIAC 1946 г.

Кроме теоретических выводов, результатом работы этой научной группы стало создание в 1946 году большого универсального электронного цифрового компьютера ENIAC (рис. 3.17). (Electronic Numerical Integrator and Computer), что в переводе означает " Электронный числовой интегратор и компьютер". Он был построен на электровакуумных лампах, имел сравнительно большую скорость сложения и умножения и ряд других положительных характеристик. Но, вместе с этим, были и отрицательные моменты, такие как его стоимость — 750 000 долларов и занимаемое пространство — около 300 кв. м. На основе критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, т.е. хранения программы в запоминающем устройстве. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени.

Таким образом, можно привести классификацию ЭВМ по этапам создания.

По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах; 2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых; приборах (транзисторах);

3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе);

4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах — микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном кристалле);

5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

6-е и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой — с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. Также имеются сообщения о старте разработок в следующих направлениях: квантовые, молекулярные (на основе молекул ДНК) компьютеры. Производятся попытки применения новых материалов на основе углерода – углеродных нанотрубок, графена, графана.

Каждое следующее поколение ЭВМ имеет, по сравнению с предшествующим, существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок [3, 24].