Этапы эволюции информационных технологий

В 1673г. другой великий  европеец, немецкий ученый Вильгельм  Готфрид Лейбниц (1646 - 1716), создает  счетную машину (арифметический прибор, по словам Лейбница) для сложения и  умножения двенадцатиразрядных  десятичных чисел. К зубчатым колесам  он добавил ступенчатый валик, который  позволял осуществлять умножение и  деление. " .Моя машина дает возможность  совершать умножение и деление  над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному  сложению и вычитанию", - писал  В. Лейбниц одному из своих друзей.

В цифровых электронных  вычислительных машинах (ЭВМ), появившихся  более двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (те же самые, что и "арифметический прибор" Лейбница), получило название арифметического. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали  называть арифметико-логическим. Оно  стало основным устройством современных  компьютеров.

Таким образом, два гения XVII века, установили первые вехи в истории развития цифровой вычислительной техники.

В 1799 г. во Франции  Жозеф Мари Жакар (1752 - 1834) 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 в данном случае) информации.

В 1795 г. там же математик Гаспар Прони (1755 - 1839), которому французское правительство поручило выполнение работ, связанных с переходом  на метрическую систему мер, 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. Для выполнения составленной "программы", состоящей из последовательности арифметических действий, не было необходимости привлекать специалистов высокой квалификации. Эта, наиболее трудоемкая часть работы, поручалась третьей и самой многочисленной группе вычислителей. Такое разделение труда позволило существенно ускорить получение результатов и повысить их надежность. Но главное состояло в том, что этим был дан импульс дальнейшему процессу автоматизации, самой трудоемкой (но и самой простой!) третьей части вычислений - переходу к созданию цифровых вычислительных устройств с программным управлением последовательностью арифметических операций.

Этот завершающий  шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) сделал английский ученый Чарльз Беббидж (1791 - 1871). Блестящий математик, великолепно  владеющий численными методами вычислений, уже имеющий опыт в создании технических  средств для облегчения вычислительного  процесса (разностная машина Беббиджа для табулирования полиномов, 1812 - 1822гг.), он сразу увидел в технологии вычислений, предложенной Г.Прони, возможность  дальнейшего развития своих работ. Аналитическая машина (так назвал ее Беббидж), проект которой он разработал в 1836 - 1848 годах, явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие ЭВМ. В ней предполагалось иметь  те же, что и в ЭВМ пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода.

Для арифметического  устройства Ч. Беббидж использовал  зубчатые колеса, подобные тем, что  использовались ранее (см.приложение В). На них же Ч. Беббидж намеревался  построить устройство памяти из 1000 пятидесятиразрядных регистров (по 50 колес в каждом). Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах, 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. Время сложения двух пятидесятиразрядных десятичных чисел составляло, по расчетам ученого, 1 сек, умножения - 1 мин.

Механический  принцип построения устройств, использование  десятичной системы счисления, затрудняющей создание простой элементной базы, не позволили Ч. Беббиджу полностью  реализовать свой далеко идущий замысел, пришлось ограничиться скромными макетами. Иначе, по размерам машина сравнялась бы с локомотивом, и чтобы привести в движение ее устройства понадобился  бы паровой двигатель.

Программы вычислений на машине Беббиджа, составленные дочерью  Байрона Адой Августой Лавлейс (1815 - 1852), поразительно схожи с программами, составленными, впоследствии, для первых ЭВМ. Не случайно замечательную женщину  назвали первым программистом мира.

Еще более изумляют ее высказывания по поводу возможностей машины:

" . Нет конца  демаркационной линии, ограничивающей  возможности аналитической машины. Фактически аналитическую машину  можно рассматривать как материальное  и механическое выражение анализа".

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 возмется за такую  малообещающую задачу без тех  указаний, которые я оставил после  себя. И если некто, не предостереженный моим примером, возьмет на себя эту  задачу и достигнет цели в реальном конструировании машины, воплощающей  в себя всю исполнительную часть  математического анализа с помощью  простых механических или других средств, я не побоюсь поплатиться  своей репутацией в его пользу, т.к. только он один полностью сможет понятьхарактер моих усилий и ценность их результатов". После смерти Ч.Беббиджа Комитет Британской научной ассоциации, куда входили крупные ученые, рассмотрел вопрос, что делать с неоконченной аналитической машиной и для  чего она может быть рекомендована.

К чести Комитета было сказано: " .Возможности аналитической  машины простираются так далеко, что  их можно сравнить только с пределами  человеческих возможностей . Успешная реализация машины может означать эпоху  в истории вычислений, равную введению логарифмов".

Еще один выдающийся англичанин оказался непонятым, это  был Джордж Буль (1815 - 1864). Разработанная  им алгебра логики (алгебра Буля) нашла применение лишь в следующем  веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему  счисления. "Соединил" математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шенон в своей знаменитой диссертации (1936г.).

3. Эволюция развития в период с XVIII по XX век.

Через 63 года после  смерти Ч.Беббиджа нашелся "некто" взявший на себя задачу создать машину, подобную - по принципу действия, той, которой  отдал жизнь Ч.Беббидж. Им оказался немецкий студент Конрад Цузе (1910 - 1985). Работу по созданию машины он начал  в 1934г., за год до получения инженерного  диплома. Конрад не знал ни о машине Беббиджа, ни о работах Лейбница, ни о алгебре Буля, которая подходит для того, чтобы проектировать  схемы с использованием элементов, имеющих лишь два устойчивых состояния.

Тем не менее, он оказался достойным наследником  В.Лейбница и Дж.Буля поскольку вернул к жизни уже забытую двоичную систему исчисления, а при расчете  схем использовал нечто подобное булевой алгебре. 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. Длина слов составляла 22 двоичных разряда. Выполнение операций производилось с использованием плавающей запятой. Для мантиссы и ее знака отводилось 15 разрядов, для порядка - 7. Память (тоже на механических элементах) содержала 64 слова (против 1000 у Беббиджа, что тоже уменьшило  размеры машины). Числа и программа  вводилась вручную. Через год  в машине появилось устройство ввода  данных и программы, использовавшее киноленту, на которую перфорировалась  информация, а механическое арифметическое устройство заменило АУ последовательного  действия на телефонных реле. В этом К.Цузе помог австрийский инженер  Гельмут Шрайер, специалист в области  электроники. Усовершенствованная  машина получила название Z2. В 1941 г. Цузе с участием Г. Шрайера создает  релейную вычислительную машину с программным  управлением (Z3), содержащую 2000 реле и  повторяющую основные характеристики Z1 и Z2. Она стала первой в мире полностью релейной цифровой вычислительной машиной с программным управлением  и успешно эксплуатировалась. Ее размеры лишь немного превышали  размеры Z1 и Z2.

Еще в 1938 г. Г.Шрайер, предложил использовать для построения Z2 электронные лампы вместо телефонных реле. К.Цузе не одобрил его предложение. Но в годы Второй мировой войны  он сам пришел к выводу о возможности  лампового варианта машины. Они выступили  с этим сообщением в кругу ученых мужей и подверглись насмешкам  и осуждению. Названная ими цифра - 2000 электронных ламп, необходимых  для построения машины, могла остудить самые горячие головы. Лишь один из слушателей поддержал их замысел. Они не остановились на этом и представили  свои соображения в военное ведомство, указав, что новая машина могла  бы использоваться для расшифровки  радиограмм союзников.

К этому времени  К.Цузе организовал небольшую фирму, и ее усилиями были созданы две  специализированные релейные машины S1 и S2. Первая - для расчета крыльев "летающих торпед" - самолетов-снарядов, которыми обстреливался Лондон, вторая - для управления ими. Она оказалась  первой в мире управляющей вычислительной машиной.

К концу войны  К. Цузе создает еще одну релейную вычислительную машину - Z4. Она окажется единственной сохранившейся из всех машин, разработанных им. Остальные  будут уничтожены при бомбежке Берлина  и заводов, где они выпускались.

И так, К.Цузе установил  несколько вех в истории развития компьютеров: первым в мире использовал  при построении вычислительной машины двоичную систему исчисления (1937г.), создал первую в мире релейную вычислительную машину с программным управлением (1941г.) и цифровую специализированную управляющую вычислительную машину (1943г.).

По другому  развивались события в США. В 1944 г. ученый Гарвардского университета Говард Айкен (1900-1973) создает первую в США (тогда считалось первую в мире.) релейно-механическую цифровую вычислительную машину МАРК-1. По своим характеристикам (производительность, обьем памяти) она была близка к Z3, но существенно  отличалась размерами (длина 17м, высота 2,5м, вес 5 тонн, 500 тысяч механических деталей).

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. Г.Айкен не скрывал, что многое в  конструкции машины он заимствовал  у Ч. Беббиджа. "Если бы был жив  Беббидж, мне нечего было бы делать", - говорил он. Замечательным качеством машины была ее надежность. Установленная в Гарвардском университете она проработала там 16 лет.

Вслед за МАРК-1 ученый создает еще три машины (МАРК-2, МАРК-3 и МАРК-4) и тоже с  использованием реле, а не электронных  ламп, объясняя это ненадежностью  последних.

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. Дочь К.Цузе, работавшая в военной разведке и находившаяся в то время в Норвергии, прислала отцу вырезку из газеты, сообщающую о грандиозном достижении американского  ученого.

Продолжить рассказ  о Г.Айкене хочется любопытным эпизодом. Дело в том, что работы по созданию МАРК1 выполнялись на производственных помещениях фирмы IBM. Ее руководитель в  то время Том Уотсон, любивший порядок  во всем, настоял, чтобы огромная машина была "одета" в стекло и сталь, что делало ее очень респектабельной. Когда машину перевезли в университет  и представили публике, то имя  Т.Уотсона в числе создателей машины не было упомянуто, что страшно  разозлило руководителя IBM, вложившего в создание машины полмиллиона долларов. Он решил "утереть нос" Г.Айкену. В результате появился релейно-электронный  монстр, в огромных шкафах которого размещались 23тыс. реле и 13тыс. электронных  ламп. Машина оказалась не работоспособной. В конце-концов она была выставлена в Нью Йорке для показа неискушенной публике. На этом гиганте завершился период электро-механических цифровых вычислительных машин.

Что касается Г.Айкена, то, вернувшись в университет, он первым в мире, начал чтение лекций по новому тогда предмету, получившему сейчас название Computer Science - наука о компьютерах, он же, один из первых предложил использовать машины в деловых расчетах и бизнесе. Побудительным мотивом для создания МАРК-1 было стремление ГАйкена помочь себе в многочисленных расчетах, которые  ему приходилось делать при подготовке диссертационной работы (посвященной, кстати, изучению свойств электронных  ламп).

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 метереологией и смастеривший для решения задач в этой области несколько простейших цифровых устройств на электронных лампах, предложил нечто иное. Им было составлено (в августе 1942г.) 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). На это отпускалось 400 тыс. долларов. К работе было привлечено около 200 человек, в том числе несколько десятков математиков и инженеров.