История развития цифровой вычислительной техники

Часть 1. Пионеры

История создания средств цифровой вычислительной техники уходит в глубь веков. Она увлекательна и поучительна, с нею связаны имена выдающихся ученых мира.

Леонардо да Винчи

В дневниках гениального Леонардо да Винчи был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным наброском суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа. Это был первый цифровой сумматор, своеобразный зародыш будущего электронного сумматора — важнейшего элемента современных компьютеров. В те далекие от нас годы Леонардо был, вероятно, единственным на Земле человеком, который понял необходимость создания устройств для облегчения труда при выполнении вычислений.

Паскаль

В 1641–1642 гг. девятнадцатилетний Блез Паскаль, тогда еще мало кому известный французский ученый, создает действующую суммирующую машину (“паскалину”). В последующие четыре года им были созданы более совершенные образцы машины. Они были шести- и восьми разрядными, строились на основе зубчатых колес, могли производить суммирование и вычитание десятичных чисел.

Лейбниц

В 1673 г. немецкий ученый Вильгельм Готфрид Лейбниц создает счетную машину для сложения и умножения двенадцатиразрядных десятичных чисел. К зубчатым колесам он добавил ступенчатый валик, позволяющий осуществлять умножение и деление.

Жакард и Прони

В 1799 г. во Франции Жозеф Мари Жакард изобрел ткацкий станок, в котором для задания узора на ткани использовались перфокарты. Необходимые для этого исходные данные записывались в виде пробивок в соответствующих местах перфокарты. Так появилось первое примитивное устройство для запоминания и ввода программной (управляющей ткацким процессом) информации.

В 1795 г. математик Гаспар Прони впервые в мире разработал технологическую схему вычислений, предполагающую разделение труда математиков на три составляющие. Первая группа из нескольких высококвалифицированных математиков определяла (или разрабатывала) методы численных вычислений, необходимые для решения задачи, позволяющие свести вычисления к арифметическим операциям — сложить, вычесть, умножить, разделить. Задание последовательности арифметических действий и определение исходных данных, необходимых при их выполнении (“программирование”), осуществляла вторая, несколько более расширенная по составу, группа математиков. Выполнение составленной “программы”, состоящей из последовательности арифметических действий, поручалось третьей группе вычислителей.

Такое разделение труда позволило существенно ускорить получение результатов и повысить их надежность. Но главное состояло в том, что этим был дан импульс переходу к созданию цифровых вычислительных устройств с программным управлением последовательностью арифметических операций.

Беббидж

Завершающий шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств механического типа сделал английский ученый Чарльз Беббидж. Аналитическая машина, проект которой он разработал в 1836–1848 годах, явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие компьютеров. В ней предполагалось иметь пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода.

Для арифметического устройства Ч. Беббидж использовал зубчатые колеса, подобные тем, что использовались ранее. На них же Ч. Беббидж намеревался построить устройство памяти из 1000 50-разрядных регистров. Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах (пробивками), на них же записывались исходные данные и результаты вычислений. В число операций, помимо четырех арифметических, была включена операция условного перехода и операции с кодами команд. Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось устройством управления.

Ищите женщину: Ада Лавлейс

Программы вычислений на машине Беббиджа, составленные дочерью Байрона Адой Августой Лавлейс, поразительно схожи с программами, составленными впоследствии для первых компьютеров. Не случайно замечательную женщину назвали первым программистом мира.

Несмотря на все старания Ч. Беббиджа и А. Лавлейс, машину построить не удалось… Современники, не видя конкретного результата, разочаровались в работе ученого. Он опередил свое время. И сам понимал это:

“Вероятно, пройдет половина столетия, прежде чем кто-нибудь возьмется за такую малообещающую задачу […].”

Буль

Непонятым оказался еще один выдающийся англичанин — Джордж Буль. Разработанная им алгебра логики (алгебра Буля) нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем, использующих двоичную систему счисления.

Цузе

Через 63 года после смерти Ч. Беббиджа (он почти угадал срок!) нашелся “некто”, взявший на себя задачу создать машину, подобную по принципу действия той, которой отдал жизнь Ч. Беббидж. Им оказался… немецкий студент Конрад Цузе. Работу по созданию машины он начал в 1934 г., за год до получения инженерного диплома. В 1937г. машина Z1 (что означало “Цузе 1”) была готова и заработала!

Она была, подобно машине Беббиджа, чисто механической. Использование двоичной системы сотворило чудо — машина занимала всего два квадратных метра на столе в квартире изобретателя!

Еще в 1938 г. австрийский инженер Гельмут Шрайер предложил использовать для построения машины Цузе электронные лампы вместо телефонных реле. Тогда К. Цузе ему сказал: “Вероятно, ты выпил слишком много шнапса!” Но в годы Второй мировой войны он сам пришел к выводу о возможности лампового варианта машины.

Итак, К. Цузе установил несколько вех в истории развития компьютеров: первым в мире использовал при построении вычислительной машины двоичную систему исчисления, создал первую в мире релейную вычислительную машину с программным управлением и цифровую специализированную управляющую вычислительную машину.

Айкен

По-другому развивались события в США. В 1944 г. ученый Гарвардского университета Говард Айкен создает первую в США релейно-механическую цифровую вычислительную машину МАРК-1.

В машине использовалась десятичная система счисления. Как и в машине Беббиджа, в счетчиках и регистрах памяти использовались зубчатые колеса. Управление и связь между ними осуществлялась с помощью реле, число которых превышало 3000.

В отличие от работ Цузе, которые велись с соблюдением секретности, разработка МАРК1 проводилась открыто, и о создании необычной по тем временам машины быстро узнали во многих странах.

ЭНИАК

В 1941 г. сотрудники лаборатории баллистических исследований Абердинского артиллерийского полигона в США обратились в расположенную неподалеку техническую школу при Пенсильванском университете за помощью в составлении таблиц стрельбы для артиллерийских орудий, уповая на имевшийся в школе дифференциальный анализатор Буша — громоздкое механическое аналоговое вычислительное устройство. Однако сотрудник школы физик Джон Мочли (1907–1986), увлекавшийся метеорологией и смастеривший для решения задач в этой области несколько простейших цифровых устройств на электронных лампах, предложил нечто иное. Им было составлено (в августе 1942 г.) и отправлено в военное ведомство США предложение о создании мощного компьютера (по тем временам) на электронных лампах. Эти, воистину исторические пять страничек были положены военными чиновниками под сукно, и предложение Мочли, вероятно, осталось бы без последствий, если бы им не заинтересовались сотрудники полигона. Они добились финансирования проекта, и в апреле 1943 г. был заключен контракт между полигоном и Пенсильванским университетом на создание вычислительной машины, названной электронным цифровым интегратором и компьютером (ЭНИАК).

Руководителями работы стали Дж. Мочли и талантливый инженер-электронщик Преспер Эккерт. Именно он предложил использовать для машины забракованные военными представителями электронные лампы (их можно было получить бесплатно!). Напряженная работа завершилась в конце 1945 года. ЭНИАК был предъявлен на испытания и успешно их выдержал. В начале 1946 г. машина начала считать реальные задачи.

Фон Нейман

В 1945 г., когда завершались работы по созданию ЭНИАК, в проект в качестве консультанта был направлен выдающийся математик, участник Матхеттенского проекта по созданию атомной бомбы Джон фон Нейман. Он сразу оценил перспективы развития новой техники и принял самое активное участие в завершении работ по созданию новой машины, ЭДВАКа.

Тюринг

Гениальный Алан Тьюринг предложил для исследования алгоритмов абстрактную машину, получившую название “машина Тьюринга”. В ней он предвосхитил основные свойства современного компьютера. Данные должны были вводиться в машину с бумажной ленты, поделенной на клетки-ячейки. Каждая из них содержала символ или была пустой. Машина могла не только обрабатывать записанные на ленте символы, но и изменять их, стирая старые и записывая новые в соответствии с инструкциями, хранимыми в ее внутренней памяти. Для этого она дополнялась логическим блоком, содержащим функциональную таблицу, определяющую последовательность действий машины.

Иначе говоря, А. Тьюринг предусмотрел наличие некоторого запоминающего устройства для хранения программы действий машины. Но не только этим определяются его выдающиеся заслуги.

В 1942–1943 годах, в разгар Второй мировой войны в Англии в обстановке строжайшей секретности была построена и успешно эксплуатировалась первая в мире специализированная цифровая вычислительная машина “Колоссус” на электронных лампах.

В Блечли-Парке Тьюринг совместно с Г. Уэлчманом и инженером Кином создал дешифровочную машину “Бомба” для расшифровки секретных радиограмм немецких радиостанций. Она успешно справилась с поставленной задачей.

Один из участников создания машины так оценил заслуги А. Тьюринга:

”Я не хочу сказать, что мы выиграли войну благодаря Тьюрингу, но беру на себя смелость сказать, что без него мы могли ее и проиграть”.

Во второй половине нашего века развитие технических средств пошло значительно быстрее. Еще стремительней развивалась сфера программного обеспечения, новых методов численных вычислений, теория искусственного интеллекта.

Но это уже другая история.