Развитие технологических основ информатики

Реферат

по дисциплине История отраслей наук

на тему Развитие технологических основ информатики

2007 год

Содержание

Введение

1. Миниатюризация элементов на протяжении всей истории вычислительной техники – от первых счетных приборов до современных ЭВМ.

2. Полупроводниковые интегральные схемы – технологическая основа развития информатики со второй половины XX века до наших дней.

3. Закон Мура

4. Первое десятилетие XXI в. Возможности технологии интегральных схем и проекты в области информатики, находящейся в стадии реализации.

Заключение

Литература

Введение

Развитие человеческого общества привело к потребности счета. Первый прибор, которым воспользовался человек для облегчения счета, были пальцы на его руках. Со счетом на пальцах связано появление десятичной системы счисления. Затем стали использоваться деревянные палочки (бирки), кости, камни, узелки, четки — своеобразные бусы.

Но на этом человек не остановился, возрастающие потребности в обработке различной информации, способствовали развитию науки и техники в области информатики.

Данная работа рассматривает этапы развития технологических основ информатики – от первых счетных приборов до современных электронно-вычислительных машин, а также будущие проекты информационных технологий.

1. Миниатюризация элементов на протяжении всей истории вычислительной техники – от первых счетных приборов до современных ЭВМ.

Потребность в вычислениях возникла у человека давно. А по мере роста потребностей и задач, которые ставило перед собой человечество, росло значение и необходимость вычислений. Эта необходимость и заставила искать пути механизации счета.

Стремительное развитие цифровой вычислительной техники (ВТ) и становление науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х годах нашего века, когда технической базой ВТ стала электроника, затем микроэлектроника, а основой для развития архитектуры компьютеров (электронных вычислительных машин ЭВМ) – достижения в области искусственного интеллекта.

До этого времени в течение почти 500 лет цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретенных за 5 столетий устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления.

Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами принадлежит Леонардо да Винчи. Он был сделан в одном из его дневников (ученый начал вести дневник еще в 1492 г.).

В 1623 г. немецкий ученый Вильгельм Шиккард предложил свое решение той же задачи на базе шестиразрядного десятичного вычислителя, состоявшего также из зубчатых колес, рассчитанного на выполнение сложения, вычитания, а также табличного умножения и деления. Оба изобретения были обнаружены только в наше время и оба остались только на бумаге.

Первым механическим цифровым вычислительным устройством, реально осуществленным и ставшим известным, стала "паскалина" великого французского ученого Блеза Паскаля (- 6-ти (или 8-ми) разрядное устройство, на зубчатых колесах, рассчитанное на суммирование и вычитание десятичных чисел (1642 г.)).

Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах (доска с вертикальными прорезями, по которым передвигали какие-нибудь предметы) на вращательное движение оси (колеса), так что в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов. Машина Паскаля была практически первым суммирующим механизмом, построенным на совершенно новом принципе, при котором считают колеса.

Труды Паскаля оказали заметное влияние на весь дальнейший ход развития вычислительной техники. Они послужили основой для создания большого количества всевозможных систем суммирующих машин.

Через 30 лет после "Паскалины" в 1673 г. появился "арифметический прибор" Готфрида Вильгельма Лейбница – двенадцатиразрядное десятичное устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение и деление, для чего, в дополнение к зубчатым колесам использовался ступенчатый валик.

О машине Лейбница было известно в большинстве стран Европы. В цифровых электронных вычислительных машинах, 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. Заслуги В.Лейбница, однако, не ограничиваются созданием "арифметического прибора". Начиная со студенческих лет и до конца жизни он занимался исследованием свойств двоичной системы счисления, ставшей в дальнейшем, основной при создании компьютеров.

В конце XVIII века во Франции были осуществлены следующие шаги, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники – "программное" управление (с помощью перфокарт) ткацким станком, созданное Жозефом Жакардом, и технология вычислений, при ручном счете, предложенная Гаспаром де Прони, разделившего численные вычисления на три этапа:

  разработка численного метода,

  составление программы последовательности арифметических действий,

  проведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программой.

Эти два новшества были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем. Он осуществил качественно новый шаг в развитии средств цифровой вычислительной техники – переход от ручного к автоматическому выполнению вычислений по составленной программе. Им был разработан проект Аналитической машины – механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина включала пять устройств – арифметическое (АУ), запоминающее (ЗУ), управления, ввода, вывода (как и первые ЭВМ появившиеся 100 лет спустя). АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на 1000-50-разрядных чисел!). Для ввода данных и программы использовались перфокарты. Предполагаемая скорость вычислений – сложение и вычитание за 1 сек, умножение и деление – за 1 мин.

Следует отметить, что в конце XIX века Герман Холлерит в Америке изобрел счетно-перфорационные машины, данные в которые вводились с помощью перфокарт. Он основал фирму, давшую впоследствии начало известной фирме по производству вычислительной техники IBM.

К 30-м годам XX века стала очевидной связь между релейными схемами и алгеброй логики. На электромагнитных реле создавали логические схемы для вычислительных машин, оперирующих перфокартами. Эти машины могли выполнять довольно сложные арифметические действия [1].

Еще десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать (у себя дома) цифровую вычислительную машину с программным управлением и с использованием – впервые в мире – двоичной системы счисления. В том же 1937 г., когда заработала первая в мире двоичная машина Z1, Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разрабатывать специализированный компьютер, впервые в мире применив электронные лампы (300 ламп).

Пионерами электроники оказались и англичане – в 1942-43 годах в Англии была создана (с участием Алана Тьюринга) ВМ "Колоссус". В ней было 2000 электронных ламп.

Во время второй мировой войны в 1941 году Цузе создал первую чисто релейную машину. Его машина Z3 состояла из 2600 электромагнитных реле, на которых было построено арифметическое устройство и память на 64 двоичных числа. Управлялась машина программой, задаваемой перфорированной лентой.

В 1946 г в США начала работать машина ЭНИАК, построенная Дж. В. Мочли и Д. П. Эккертом. В ней было использовано свыше 18 тыс. электронных ламп и 1.5 тыс. реле. Однако машина оставалась десятичной, а ее память составляла лишь 20 слов. Программы хранились вне оперативной памяти.

Гениальную идею Беббиджа осуществил Говард Айкен, американский ученый, создавший в 1944 г. первый в США релейно-механический компьютер. Ее основные блоки – арифметики и памяти были – исполнены на зубчатых колесах.

Если Беббидж намного опередил свое время, то Айкен, использовав все те же зубчатые колеса, в техническом плане при реализации идеи Беббиджа использовал устаревшие решения. Машина была передана Гарвардскому университету и эксплуатировалась в течении многих лет. Эта программно управляемая вычислительная машина весом 5 т. и стоимостью 500 тыс. долларов предназначалась для баллистических расчетов ВМС США.

Завершающую точку в создании первых ЭВМ поставили, почти одновременно, в 1949-52 гг. ученые Англии, Советского Союза и США (Морис Уилкс, ЭДСАК, 1949 г.; Сергей Лебедев, МЭСМ, 1951 г.; Исаак Брук, М1, 1952 г.; Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман ЭДВАК, 1952 г.), создавшие ЭВМ с хранимой в памяти программой [3].

Вообще, всю историю развития вычислительной техники можно разделить на эру простейших машин, эру радиоламп, эру транзисторов и эру интегральных схем. Но в настоящее время более распространено иное деление по периодам развития компьютерной техники – по поколениям машин. Каждому поколению свойственны определенные характеристики.

Предки нынешних машин – ЭВМ первого поколения – ламповые гиганты, вобрали в себя все премудрости электроники 40-х и начала 50-х годов нашего столетия. Жили они не очень долго – до середины 50-х годов. Выпускались же они значительно дольше и эксплуатировались вплоть до 70-х годов.

Компьютеры 40-х – 50-х годов были очень громоздкими, потому что создавались на основе электронных ламп, да и к тому же потребляли сумасшедшее количество энергии. Следует также добавить, что в среднем каждые 10 минут одна из ламп, а их число могло достигать нескольких десятков тысяч, перегорала, что делало ЭВМ очень ненадежной и малоэффективной. Такие недостатки компьютеров очень сильно мешали их распространению, потому что очень немногие организации могли позволить себе покупать ящики с дорогостоящим оборудованием и содержать группу обслуживающего персонала, да и к тому же быстродействие тогдашних компьютеров было более чем неудовлетворительным.

Первый шаг к уменьшению размеров и повышению быстродействия ЭВМ стал возможен благодаря изобретению в 1948 году полупроводниковых транзисторов. В 50-х годах прошлого века были найдены дешевые способы производства транзисторов, и к их концу годов появились компьютеры, собранные на полупроводниках. Единственным устройством компьютера, где не удалось заменить лампы, были блоки памяти, но там стали использовать схемы на основе изобретенных тогда магнитных сердечников (своего рода конденсаторов).

Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач.

В эти годы появились первые алгоритмические языки, а, следовательно, и первые системные программы – компиляторы. Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора.

К середине 60-х годов развитие технологии позволило создать еще более миниатюрные компьютерные устройства, и фирма Digital Equipment выпустила в 1965 году компьютер размером с холодильник, который назывался PDP-8 и стоил около 20 тысяч долларов. Но к тому времени был подготовлен еще один шаг к совершенствованию PC – были изобретены интегральные схемы [4].

До появления интегральных схем транзисторы изготовлялись по отдельности, и при сборке схем их приходилось соединять и спаивать вручную. В 1958 году Джек Кибли придумал, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов. Годом позже Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) открыл более совершенный метод, который позволял на одной пластине создавать и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Такие электронные схемы стали называть интегральными схемами, или чипами. В дальнейшем количество элементов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, быстро увеличивалось (то есть повышалась интеграция элементов), и в 1968 году фирма Burroughs выпустила первый компьютер, основанный на интегральных схемах, а в 1970 году Intel стала продавать интегральные схемы памяти. Изобретение чипов не только привело к уменьшению габаритов устройств компьютера (а, следовательно, и размеров самих РС), но также позволило резко уменьшить их стоимость.

В том же 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из той же Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ, то есть создал первый микропроцессор, который получил название Intel-4004. Правда, возможности этого процессора были куда скромнее, чем у большой ЭВМ, но фирма Intel в 1973 году выпустила более мощный процессор Intel-8008 (уже 8-битовый), а вскоре создала усовершенствованную его версию, Intel-8080, которая получила большую популярность и де факто стала стандартом для микропроцессорной индустрии 70-х годов.