Первое поколение компьютеров

Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало  множество проблем. Из-за того, что  высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так  как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много  времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для  эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные  системы охлаждения.

Чтобы разобраться  в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах  не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штеккера с нужным гнездом.

Примерами машин I-го поколения могут служить Mark 1, ENIAC, EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой. UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.

14. Электронная лампа.

Электронная лампа - электровакуумный прибор (электровакуумные приборы - приборы для генерации, усиления и преобразования магнитной  энергии, в которых рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы жёсткой  газонепроницаемой оболочкой), действие которого основано на изменении потока электронов (отбираемых от катода и  движушихся в вакууме) электрическим  полем, формируемым с помощью  электродов. В зависимости от значения выходной мощности электронные лампы делятся на приемно-усилительные лампы (выходная мощность - не свыше 10 Вт) и генераторные лампы (свыше 10 Вт).

Первые электронные  лампы - электровакуумные диоды и  триоды (двух и трех-электродные  электронные лампы) - разрабатывались  на основе техники производства ламп накаливания и по внешнему виду весьма походили на последние: стеклянная колба, в центре которой размещалась  вольфрамовая нить накала, служащая катодом (слово "лампа" в названии "'электронная  лампа" подчеркивало это сходство, "электронная" же указывало на принципиальные различия). Уже в 30-е  годы внешний вид электронной  лампы существенно изменился, однако слово "лампа" в её названии сохранилось  до сих пор. В 1-й половине 20 в. электронные  лампы оказали решающее влияние  на характер развития радиотехники. На их основе возникли радиосвязь, звуковое радиовещание, телевидение, радиолокация, вычислительная техника (да-да, она  самая) (ЭВМ 1-го поколения). За период 1921-41 ежегодный мировой выпуск электронных  ламп возрос с одного до сотен миллионов  штук. Однако успехи полупроводниковой электроники (смотрите второе поколение ЭВМ и дополнения к нему) обусловили бесперспективность дальнейшей разработки аппаратуры на приемно-усилительных лампах. В 60-70-х годах разработка такой аппаратуры была прекращена; в результате ежегодный мировой выпуск приемно-усилиельных ламп за 1960-75 уменьшился примерно в 3 раза. Успехи полупроводниковой электроники не повлияли на развитие генераторных ламп (поскольку выходная мощность полупроводниковых приборов на радиочастотах не превышает 10-100 Вт). Выпускаемые генераторные лампы (триоды е тетроды) характеризуются мощностью от 50 Вт до 3 МВт в непрерывном режиме и до 10 МВт в импульсном. Диоды же делятся на низковольтные маломощные (обратное напряжение не превышает 2 кв.; выпрямленный ток до 0.4 а), высоковольтные маломощные (30 кв.; 0,002 а), высоковольтные импульсные (60 кв.; 100 а) и высоковольтные рентгеновские (220 кв; 2 а). 

Рисунок 1. Лампа накаливания

15. ЭНИАК

Начиная с 1943 года, группа специалистов под руководством Г. Эйкен начала конструировать подобную машину на основе электронных ламп, а не реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1". Он содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9(15 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток - управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Кроме того, подлинным бичом была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп. Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман (J. von Neumann), который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года. ENIAC стал первым представителем первого поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.

16. Нейман

Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г.Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них: - машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления; - программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины; - программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде; - трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти); - арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно; - в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам). Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название "архитектура фон Неймана". Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949г. английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945г. Джон фон Нейман. Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ. В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) - первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ - самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать "Стрела" - первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А.Лебедева, Б.Я.Базилевского, И.С.Брука, Б.И.Рамеева, В.А.Мельникова, М.А.Карцева, А.Н.Мямлина. Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 ("Урал-1") до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал - в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных.

17. Создание  МЭСМ

Советские ученые и  инженеры начали работы в области  компьютерной техники с опозданием в несколько лет. Тем не менее, этот временной разрыв был быстро ликвидирован. В 1948 году на научном семинаре в Академии наук СССР присутствующих ознакомили с содержанием американской публикации, в которой кратко и отрывочно описывалась конструкция первой действующей электронной вычислительной машины ЭНИАК. Более подробную информацию получить было невозможно, так как в эти годы отношения между СССР и США были очень напряженными. Это сказывалось и на состоянии научных связей. Однако участники семинара понимали: создавать отечественный компьютер надо, причем, в сжатые сроки. За создание первой отечественной ЭВМ взялся академик АН УССР С.А.Лебедев. Работы развернули в полуразрушенной монастырской обители Феофании, в пятнадцати километрах от Киева. В течение 1948 года были закончены все подготовительные работы и создан рабочий проект машины. Начерченная на ватмане блок-схема стала потом классической, и повторялась в большинстве советских ЭВМ первого поколения. В нее вошли арифметическое устройство (процессор), запоминающее устройство, устройство управления и внешние устройства. Машина должна была собираться из мелких и средних блоков. Сборка блоков велась на бракованных дюралюминиевых шасси, которые удалось достать на одном из киевских заводов. Несложные расчеты показали, что собранная машина займет площадь около 50 квадратных метров. Остановимся на устройстве главных блоков МЭСМ. В машине было два вида "памяти" - оперативное запоминающее устройство и долговременная память. Оперативная память получилась внушительных размеров – четыре панели высотой три метра и шириной один метр. Долговременная память была воплощена в виде магнитного барабана - быстро вращающегося цилиндра с магнитным покрытием. Опыта изготовления таких барабанов не было, поэтому пришлось обратиться за помощью в Институт физики Академии неук УССР. В результате, группа специалистов под руководством члена-корреспондента АН УССР А.А.Харкевича, в течение года с небольшим построила барабан. МЭСМ получила дополнительную память объемом 5 000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, от которых требовалось одно - работать в строго заданных идентичных режимах. Лампы в то время были несовершенными и отличались довольно большим разбросом значений своих параметров. Поэтому их приходилось предварительно проверять и отбраковывать. После включения машины все равно надо было выжидать полтора-два часа. Вскоре разработчики решили вообще не выключать машину, и она стала работать круглосуточно. Но возникла новая проблема, связанная с перегревом МЭСМ. Результатом был постоянный выход из строя электронных схем. Ввод данных в машину производился с помощью магнитной ленты, а для вывода результатов использовалось цифропечатающее устройство, сопряженной с памятью. На что же была способна МЭСМ? Она могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды. Всего машина выполнила 12 различных команд. Из 6000 электронных ламп 4 000 использовались в запоминающем устройстве. МЭСМ потребляла мощность, равную 25 киловаттам. Осенью 1951 года на машине начали решать первые реальные пробные задачи. Одной из них была задача из области баллистики, которая особенно запомнилась разработчикам, так как машина впервые выделила и локализовала ошибку проводивших расчеты математиков высокой квалификации. 25 декабря 1951 года произошло знаменательное событие, открывшее историю советской компьютерной техники. Именно в этот день МЭСМ была принята в эксплуатацию весьма представительной комиссией Академии наук СССР во главе с академиком М.В.Келдышем. Почти сразу же в Феофанию началось паломничество московских и киевских математиков с задачами, которые нельзя было решить без помощи ЭВМ. Одной из важнейших практических задач успешно решенной на МЭСМ, были расчеты устойчивости параллельной работы агрегатов Куйбышевской ГЭС. В результате были выработаны рекомендации, позволившие существенно повысить величину передаваемых в Москву мощностей. Поскольку до 1953 года МЭСМ оставалась единственной в стране (кстати, и в Европе) работающей электронной вычислительной машиной, она была предельно загружена решением важных и особо важных задач. В то время график распределения машинного времени утверждал президент Академии наук СССР. МЭСМ просуществовала до 1956 года, после чего ее демонтировали и передали в качестве учебного пособия в Киевский политехнический институт. Фактически МЭСМ можно назвать действующим макетом ЭВМ, поскольку все ее электронные схемы были развешены по стенам и работавший на ней программист оказывался как бы внутри машины. В то же время МЭСМ стала первой реально работающей вычислительной машиной. МЭСМ передала эстафету построенной в 1952 году в Институте точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР машине БЭСМ. Руководителем этой разработки снова был академик С.А.Лебедев. По своим параметрам БЭСМ на порядок превосходила МЭСМ. Еще через год под руководством доктора технических наук Ю.Я.Базилевского была создана ЭВМ "Стрела" - первый компьютер, запущенный в серийное производство. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: "Урал", М-2, М-3, БЭСМ-2, "Минск- 1", - которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения. В 50-х годах машина М-20 (главный конструктор - академик С.А.Лебедев) была одной из лучших в мире. На этой машине решалось большинство теоретических и прикладных задач, связанных с развитием самых передовых областей науки и техники. В частности, на комплексах из М-20 обрабатывались данные космических исследований. Начало действовать и довольно широко применяться в народном хозяйстве первое поколение отечественных компьютеров. По сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной вычислительной техники в Японии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина "Фуджик" была введена в эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ началось лишь в 1958 году. ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования. Это были в основном машины для громоздких расчетов.

18. Транзисторы

Элементной базой  второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно считать одним из наиболее впечатляющих чудес XXв. Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д.Бардину и У.Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В.Шокли стали лауреатами Нобелевской премии. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность - тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, были опробованы индуктивные элементы - параметроны. Наиболее яркими представителями второго поколения были машины стретч (США, 1961), "Атлас" (Англия, 1962), БЭСМ-6 (СССР, 1966). Пожалуй, построение таких систем, имевших в своем составе около 105 переключательных элементов, было бы просто невозможным на основе ламповой техники. Второе поколение рождалось в недрах первого, перенимая многие его черты.

19. "Атлас"

Первая бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете - "Атлас" - была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта. В 1961 году наземные компьютеры фирмы "Бэрроуз" управляли космическими полетами ракет "Атлас", а машины фирмы IBM контролировали полет астронавта Гордона Купера. Под контролем ЭВМ проходили полеты беспилотных кораблей типа "Рейнджер" к Луне в 1964 году, а также корабля "Маринер" к Марсу. Аналогичные функции выполняли и советские компьютеры.

20. Первые  серийные машины

Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии. В Советском Союзе первые безламповые машины "Сетунь", "Раздан" и "Раздан-2" были созданы в 1959-1961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство, которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них "Минск-32" выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: "Урал", "Минск", БЭСМ.

21. БЭСМ-6

Рекордсменом среди  ЭВМ второго поколения стала  БЭСМ-6, имевшая быстродействие около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них - "Минск-32" выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: "Урал", "Минск", БЭСМ. Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ-6, имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду, - одна из самых производительных в мире. Архитектура и многие технические решения в этом компьютере были настолько прогрессивными и опережающими свое время, что он успешно использовался почти до нашего времени.

22. Мир и Мир-2

Специально для  автоматизации инженерных расчетов в Институте кибернетики Академии наук УССР под руководством академика В.М.Глушкова были разработаны компьютеры МИР (1966) и МИР-2 (1969). Важной особенностью второй машины явилось использование телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера, с помощью которого можно было корректировать данные прямо на экране. К середине 60-х годов бум в области транзисторного производства достиг максимума - произошло насыщение рынка. Дело в том, что сборка электронного оборудования представляла собой весьма трудоемкий и медленный процесс, который плохо поддавался механизации и автоматизации. Таким образом, созрели условия для перехода к новой технологии, которая позволила бы приспособиться к растущей сложности схем путем исключения традиционных соединений между их элементами. Идея интегральных схем носилась в воздухе.

23. Интегральные  схемы

Диаграмма 1. Число активных элементов в одной ИС по годам.

Приоритет в изобретении  интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д.Килби и Р.Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году. Уже в 1964 году было объявлено о планах выпуска дешевого настольного калькулятора, в котором вместо 21 тысячи дискретных элементов (как в обычных калькуляторах) предполагалось использовать 29 интегральных схем. Упоминавшийся выше ЭНИАК в 1971 году мог бы быть собран на пластине в полтора квадратных сантиметра. Началось перевоплощение электроники в микроэлектронику. несмотря на успехи интегральной техники и появление мини-ЭВМ, в 60-х годах продолжали доминировать большие машины. Таким образом, третье поколение компьютеров, зарождаясь внутри второго, постепенно вырастало из него. Первая массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM-360, оказала значительное влияние на развитие вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг с другом. Последнее означало, что машины стало возможно связывать в комплексы, а также без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии. Таким образом, впервые было выявлено коммерчески выгодное требование стандартизации аппаратного и программного обеспечения ЭВМ. В СССР первой серийной ЭВМ на интегральных схемах была машина "Наири- 3" , появившаяся в 1970 году. Со второй половины 60-х годов Советский Союз совместно со странами СЭВ приступил к разработке семейства универсальных машин, аналогичного системе ibm-360. В 1972 году началось серийное производство стартовой, наименее мощной модели Единой системы - ЭВМ ЕС-1010, а еще через год - пяти других моделей. Их быстродействие находилась в пределах от десяти тысяч (ЕС-1010) до двух миллионов (ЕС-1060) операций в секунду. В рамках третьего поколения в США была построена уникальная машина ИЛЛИАК-4, в составе которой в первоначальном варианте планировалось использовать 256 устройств обработки данных, выполненых на монолитных интегральных схемах. Позднее проект был изменен, из-за довольно высокой стоимости (более 16 миллионов долларов). Число процессоров пришлось сократить до 64, а также перейти к интегральным схемам с малой степенью интеграции. Сокращенный вариант проекта был завершен в 1972 году, номинальное быстродействие ИЛЛИАК-4 составило 200 миллионов операций в секунду. Почти год этот компьютер был рекордсменом в скорости вычислений. Именно в период развития третьего поколения возникла чрезвычайно мощная индустрия вычислительной техники, которая начала выпускать в больших количествах ЭВМ для массового коммерческого применения. Компьютеры все чаще стали включаться в информационные системы или системы управления производствами. Они выступили в качестве очевидного рычага современной промышленной революции.