когда появился первый компьютер в мире в каком году

Машина для фюрера Его имя забыто. Но он создал первый в мире компьютер

Имя Конрада Цузе знакомо немногим. Пик деятельности этого немецкого инженера, создателя первого универсального программируемого компьютера, пришелся на годы нацистского режима в Германии. О нем, его работе и о том, как одну из его разработок перепутали с «оружием возмездия», рассказывает «Лента.ру».

Побег из Берлина

Война заканчивалась, шел 1944 год. Берлин регулярно бомбили. Конрад Цузе и его друг прогуливались по улице, по обеим сторонам которой дымились свежие развалины, оставшиеся после ночного налета союзников. «Мы дошли до той точки, когда сможем контролировать и раскрывать всесильную энергию ядра атома, — сказал он пораженному Цузе. — Скоро мы сможем создавать очень большие бомбы. Есть риск, что эксперимент пойдет не так, как предполагалось, и мы взорвем всю Землю».

Так Цузе узнал о существовании атомной бомбы. Конечно, последнее утверждение звучало странно, и он не знал, откуда его друг получил такую информацию, но вскоре слухи поползли по всей стране. Их распространению способствовало и объявление Германии о создании «оружия возмездия».

На чудо надеялся и инженер Цузе, и оно произошло, когда в двери его офиса постучался физик доктор Функ. В то время Цузе с коллегами работал над созданием устройства под названием V4 и обдумывал, каким образом выбраться из Берлина. Доктор Функ устроился в контору Цузе, но никогда не работал в ней как физик. Однако он стал незаменимым переговорщиком, спасшим Цузе, его коллектив и его творение.

Связи Функа и название устройства сыграли в этом деле основную роль. Дело в том, что «оружие возмездия» (Vergeltungswaffen) имело кодовые названия V1, V2 и V3 («Фау»). Название аппарата Цузе — V4 — означало Versuchmodell (то есть «экспериментальная модель»), но когда Функ произносил волшебные слова «Фау-4», государственным чиновникам даже не приходило в голову, что речь идет вовсе не о разработке очередной модели «оружия возмездия». Фраза «»Фау-4″ нужно в целости и сохранности эвакуировать из Берлина» стала их пропуском из столицы, им удалось даже найти для V4 грузовик, хотя их не хватало даже для перевозки авиационных запчастей.

Через несколько дней аппарат успешно прибыл в Гёттинген, где работы над V4 были завершены, а оттуда направился в баварскую деревушку Оберхох. По логичному стечению обстоятельств, там же оказался Вернер фон Браун и его команда, разработчик тех самых ракет «Фау», с которыми чиновники перепутали V4, он же — будущий отец американской космической программы. Цузе и фон Браун общались в течение нескольких дней, благодаря чему инженер понял, что ракетчик даже не имеет представления о том, какую роль потомки V4 смогут сыграть в освоении космоса. Через некоторое время их пути разошлись: в апреле 1945 года Цузе со своими ассистентами и устройством уехал в другую баварскую деревню — Хинтерштайн.

Инженеров приняли в Хинтерштайне холодно. За несколько дней до их прибытия в деревню ворвался отряд эсэсовцев и выгнал жителей одного дома, устроив там свою штаб-квартиру. Разумеется, от людей, прибывших на грузовике вермахта, ничего хорошего тоже не ждали. Цузе так вспоминал это время:

«Мы прибыли в Хинтерштайн в составе пестрой компании вояк. Я до сих пор помню эсэсовца, который считал, что он обязан постоянно, до самого конца произносить пафосные фразы: «Капитулировать? Пока фюрер жив — не обсуждается!» Через несколько дней фюрер совершил самоубийство, и мы вновь встретились на регистрационном пункте. Теперь это был скромный маленький человек в гражданском, регистрирующийся как «иностранный рабочий»».

До конца войны оставались считаные дни. Вскоре здесь появились французские оккупационные войска.

Первые в мире

Машина, за которую Конрад Цузе так беспокоился, позже получила название Z4. Это был один из первых в мире программируемых компьютеров, а его предшественник Z3 — вообще первый.

Все началось в 1937 году, когда Цузе заканчивал работу над прототипом двоичного калькулятора, способного считывать инструкции с перфоленты, — он получил название Z1. В отличие от современных компьютеров, устройство было полностью механическим — не электронным и даже не электрическим.

Закончив технический колледж, Цузе получил работу специалиста по расчету напряжений в берлинском авиаконструкторском бюро, где его работа заключалась в решении линейных уравнений. С помощью них вычислялась максимальная нагрузка, которую способны испытывать материалы, а также их эластичность. Даже с помощью механических калькуляторов решать в день больше шести линейных уравнений с шестью неизвестными для человека-специалиста было не под силу. А если речь шла о 25 переменных, такие расчеты могли занять целый год.

Как и многие другие, Цузе хотел механизировать изнурительный процесс решения математических уравнений. Этим он и занялся в мастерской, которую устроил в доме родителей. Первая версия устройства Цузе позволяла вводить в него двоичный код за счет металлических пластин с выпуклостями и дырками. Сначала его вводили при помощи перфорированной бумаги, потом Цузе перешел на 35-миллиметровую кинопленку, которая оказалась долговечнее и дешевле.

Законченный в 1938 году Z1 действительно мог справляться с некоторыми рутинными вычислительными задачами, но, к сожалению, часто давал сбой. Все его детали были выточены вручную, и механизм заедало. Цузе был лишен возможности сотрудничать с большой командой талантливых специалистов, как это было в американских компаниях IBM или Bell Labs.

Впрочем, Z1 доказал одну важную вещь: теоретическая логическая концепция, которую разработал Цузе, действует на практике. Его товарищ по колледжу Гельмут Шрейер, помогавший создавать машину, настаивал на том, чтобы в следующей ее версии были задействованы вакуумные радиолампы вместо механических переключателей. Реализуй они эту концепцию сразу, у них на руках оказался бы первый в мире работающий современный компьютер — интерпретирующий двоичный код, электронный и программируемый. Но Цузе и эксперты, с которыми он консультировался, пришли к заключению, что на это просто нет средств: на создание такой машины потребовалось бы две тысячи радиоламп.

Поэтому в Z2 были задействованы подержанные электромагнитные релейные переключатели, купленные в телефонной компании. Они были существенно дешевле, но, конечно, значительно медленнее ламп. В результате у Цузе получился компьютер, арифметический блок которого состоял из электромагнитных реле, но блок памяти был по-прежнему механическим — в нем использовались металлические шпеньки, позволявшие считывать программу с перфоленты.

В 1939 году Цузе начал работу над третьей моделью, которая использовала электромагнитные реле как в арифметическом блоке, так и в блоках памяти и управления. Через два года, в 1941 году, он был готов к работе, таким образом став первым в мире цифровым многофункциональным программируемым компьютером — несмотря на то, что не был способен обрабатывать команды ветвления и переходов в программе. Единственным его отличием от более поздних моделей ЭВМ было использование электромагнитных реле, а не ламп.

Война

В 1939 году Шрейер и Цузе попытались заинтересовать своей разработкой власти, однако у них ничего не получилось. Шрейер говорил о возможности создания лампового устройства, пригодного в том числе для расчетов, связанных с противовоздушной защитой. На вопрос, сколько времени уйдет на разработку такой машины, он осторожно ответил: «Около двух лет». Чиновников это рассмешило: «Какие еще два года? К тому времени мы уже войну выиграем!»

Война не закончилась ни через год, ни через два. После вторжения в СССР войска вермахта забуксовали на Восточном фронте, и вскоре в ходе боевых действий наступил перелом. В 1943 году, со вступлением в войну американцев, Берлин стали регулярно бомбить. Снаряды падали как на крупные предприятия, так и на жилые кварталы. Цузе вспоминал:

«В то время об авианалетах предупреждали по радио. Зачастую это происходило в тот момент, когда я стоял перед машиной, пытаясь заставить ее работать. И я не всегда уходил в подвал вовремя. Я до сих пор помню, как испытывал одну сложную новую программу на Z3, которая наконец заработала именно во время бомбежки».

Чуть раньше, в 1942 году, команда Цузе начала создавать тот самый «прототип-4» — будущий Z4. Он был прямым продолжением Z3 и использовал по большей части ту же технологию, что и предыдущие модели, однако у него было несколько важных отличий. Например, память его состояла из 32-битных, а не 22-битных машинных слов с плавающей запятой. Специальный программный блок сильно облегчал процесс программирования и внесения правок в программу. Множество математических операций, таких как квадратный корень или тригонометрические функции, были реализованы на уровне системы команд.

Z4 не только сохранился, но и был востребован после войны. В 1950 году его привезли в Высшую техническую школу Цюриха для обработки сложных вычислений. В 1950-1951 годах он был единственным работающим цифровым компьютером в Европе — его конкурент Ferranity Mark 1 опоздал на полгода.

Помимо этого Цузе стал автором первого высокоуровневого языка программирования Plankalkül, который он разработал в годы создания Z4. Если не вдаваться в технические подробности, основным его достижением было то, что программист мог пользоваться высокоуровневым набором инструкций, не вдаваясь в то, каким образом работает «железо» машины, и это позволяло сосредоточиться на решении поставленной логической задачи.

Компания Цузе Zuse KG после войны выпустила множество компьютеров. Через некоторое время она стала производить транзисторные и ламповые ЭВМ, а в 1961 году создала плоттер Graphomat, позволявший делать чертежи, — незаменимую вещь для архитекторов и геологов. Он работал в связке с компьютерами серии Z.

Вселенная счисления

6 января 1945 года Конрад Цузе женился на Гизеле Брандес. Через несколько месяцев у них родился первенец, а в последующие годы — еще четверо детей. Но Цузе не был примерным семьянином, он был буквально одержим своим делом. Создатель первого универсального программируемого компьютера в мире получил на родине множество наград и почетных степеней. Он умер 18 декабря 1995 года в немецком Хюнфельде в возрасте 85 лет.

Его ранние разработки, погибшие во время бомбежек, были реконструированы. Модель Z1 Цузе восстановил сам, теперь она находится в Немецком технологическом музее в Берлине. Инженеры, работавшие с ним, воссоздали Z3 и отдали ее в Немецкий музей Мюнхена.

Часто можно встретить утверждение о том, что компьютер стал продуктом Второй мировой войны. В случае с Конрадом Цузе это не так. Z1 был создан до войны, а работа над Z3 затянулась потому, что Цузе в 1939-1940 годах призвали в армию, и он провел несколько месяцев на Восточном фронте. Деньги на его создание (как и на создание Z4) власти все-таки выделили — инженеру удалось убедить их в том, что машина будет незаменима для вычислений технических характеристик самолетов, но сделали это неохотно. По счастливой случайности то, что название четвертого экспериментального прототипа четвертой модели было схоже с кодовыми названиями ракет Вернера фон Брауна, Цузе удалось эвакуироваться из Берлина, сохранить и закончить разработку устройства.

Фото: Fabrizio Bensch / Reuters

В последние годы появляется множество работ, посвященных тому, не является ли наша Вселенная лишь комплексной имитацией, немыслимой программой. Цузе задумывался об этом гораздо раньше, еще в годы войны. «Внезапно мне пришла в голову мысль, что Вселенная могла быть зачата гигантской ЭВМ, работающей как релейный калькулятор, — а релейные калькуляторы содержат релейные цепи, — писал он в своих мемуарах. — Когда реле срабатывает, импульс проходит по цепи. Я подумал, что, вероятно, именно так движется квант света». Эта мысль накрепко укоренилась в его сознании, и через 30 лет он сформулировал теорию, получившую название «вселенная счисления».

Упоминания Цузе в современной прессе довольно редки, о нем нечасто снимают документальные фильмы за пределами Германии, а если это и происходит, его работу зачастую несправедливо называют «первым нацистским компьютером». Это утверждение не выдерживает никакой критики: первые ЭВМ Цузе были созданы практически на голом энтузиазме, да и потом нацистские функционеры не понимали ценности его работы.

Конрад Цузе никогда не был героем Сопротивления, но и не пытался стать госчиновником в нацистской Германии. Личная трагедия ученого заключается в том, что ранние его разработки были существенно более продвинутыми, чем у других пионеров, создававших ЭВМ в то время. Увы, о них за пределами страны, движущейся по пути самоуничтожения, практически никто не знал, а мировую известность его машины получили лишь через несколько лет после войны.

Источник

История ЭВМ: от перфокарт до персональных компьютеров

Ровно 33 года назад, 12 августа 1981 года, на свет появился первый массовый персональный компьютер IBM PC, который со временем стали называть просто PC (ПК). То, что для нас уже давно стало привычным делом, в то время было настоящей революцией. M24.ru выделило основные этапы развития электронно-вычислительных машин.

Электронные вычислительные машины того времени представляли из себя массивные конструкции весом в несколько тонн. Каждый новый этап развития ЭВМ был связан не только с техническим прогрессом, но и с программным. Взять хотя бы Windows, который пришел на смену «бездушному» DOS.

Именно IBM, годом основания которой считается 1889 год, внесла огромный вклад в развитие компьютерной техники. Ее прародительница, корпорация CTR (Computing Tabulating Recording) включала в себя сразу три компании и выпускала самое различное электрическое оборудование: весы, сырорезки, приборы учета времени. После смены директора в 1914 году компания начала специализироваться на создании табуляционных машин (для обработки информации). Спустя 10 лет CTR поменяло свое название на International Business Machines или IBM.

M24.ru выделило основные этапы развития ЭВМ и их основных представителей, давших толчок к развитию современных компьютеров.

При этом история компьютеров IBM началась спустя более полувека, в 1941 году, когда был разработан и создан первый программируемый компьютер «Марк 1» весом порядка 4,5 тонн, 17 метров в длину, 2,5 метра – в высоту. Президент IBM вложил в него 500 тысяч долларов. Впервые «Марк 1» был запущен в Гарвардском университете в 1944 году. Чтобы понять, насколько сложна была конструкция машины, достаточно сказать, что общая длина проводов составила 800 км. При этом компьютер осуществлял три операции сложения и вычитания в секунду.

Первое поколение ЭВМ

Первая ЭВМ, основанная на ламповых усилителях, под названием «Эниак» была создана в США в 1946 году. По размерам она была больше, чем «Марк 1»: 26 метров в длину, 6 метров в высоту, а ее вес составлял около 30 тонн. При этом по производительности «Эниак» в 1000 раз превышала «МАРК-1», а на ее создание ушло почти 500 тысяч долларов. Но у нее были существенные недостатки: очень мало памяти для хранения данных и долгое время перепрограммирования – от нескольких часов и до нескольких дней.

Кстати, среди создателей «Эниак» был ученый Джон фон Нейман, предложивший архитектуру ЭВМ, заложенную в компьютерах с конца 1940-х до середины 1950-х годов. Именно он осуществил переход к двоичной системе счисления и хранению полученной информации.

Второе поколение ЭВМ

Второе поколение ЭВМ использовало в своей основе транзисторы, созданные в 1947 году. Это была очередная революция, в результате которой существенно уменьшились размеры и энергопотребление компьютеров, так как сами биполярные транзисторы в разы меньше вакуумных ламп.

В 1959 году появились первые компьютеры IBM на транзисторах. Они были надежны, и ВВС США стали использовать их в системе раннего оповещения ПВО. А в 1960 году IBM разработала мощную систему Stretch или «IBM-7030». Она была и вправду сильна – создатели добились 100-кратного увеличения быстродействия. В течение трех лет он был самым быстрым компьютером в мире. Однако со временем IBM уменьшила его стоимость, а вскоре и вовсе сняла с производства.

Третье поколение ЭВМ

Третье поколение компьютеров связано с использованием интегральных схем (в которых используется от десятков до сотен миллионов транзисторов), впервые изготовленных в 1960 году американцем Робертом Нойсом.

В 1964 году IBM объявила о начале работы над целой линейкой IBM System/360.

Четвертое поколение ЭВМ

Четвертое поколение связано с использованием микропроцессоров. Первый такой микропроцессор под названием «Intel-4004» был создан в 1971 году компанией Intel, до сих пор остающейся в лидерах. Спустя 10 лет IBM выпустила первый персональный компьютер, который так и назывался IBM PC. Самая дорогая конфигурация стоила 3000 долларов и предназначалась для бизнеса, а конфигурация за 1500 долларов – для дома.

Интересно, что разработкой компьютера занимались всего четыре человека. Причем IBM не запатентовала ни операционную систему DOS, ни BIOS, что породило огромное количество клонов. Уже в 1996 году IBM уступило первое место по продажам ПК на ею же основанном рынке.

Несмотря на то, что современные гаджеты сильно отличаются по характеристикам от своего предшественника, все они относятся к тому же поколению ЭВМ.

Основные толчки для развития компьютеров дала наука (появление ламп, а затем транзисторов). В настоящее время распространяется ввод информации с голоса, общения с машиной на человеческом языке (приложение Siri в iPhone) и активная работа над роботами. Основное мнение, что будущее – за квантовыми компьютерами, которые будут использовать в своей основе молекулы и нейрокомпьютерами, использующими центральную нервную систему человека и непосредственно его мозг. Однако для того, чтобы эти технологии появились, необходимо досконально изучить эти системы.

Источник

Первое поколение компьютеров: от Древнего Рима до Второй Мировой

Лень — двигатель прогресса. Стремление человечества хотя бы частично автоматизировать свою деятельность всегда выливалось в различные изобретения. Математические вычисления и подсчеты также не избежали научного прогресса. Ещё в Древнем Риме местные «таксисты» использовали аналог современного таксометра — механическое устройство, которое определяло стоимость поездки в зависимости от длины маршрута. Время шло, и к середине прошлого века эволюция вычислительных систем привела к появлению нового типа устройств — компьютеров. Тогда, конечно, их так никто не называл. Для этого использовался другой термин — ЭВМ (электронно-вычислительная машина). Но время и прогресс стерли границы между этими определениями. Так как же прогресс дошел до первых ЭВМ и как они работали?

История развития

Арифмометр

Данная машина представляла собой 13-разрядную суммирующую машину.

В следующем году вокруг этой машины начали появляться различные возражения, а именно по поводу её механизма. Существовало мнение о том, что машина да Винчи представляет собой механизм пропорционирования, а не счетную машину. Также возникал вопрос и о её работе: по идее, 1 оборот первой оси вызывает 10 оборотов второй, 100 оборотов третьей и 10 в степени n оборотов n-ной оси. Работа такого механизма не могла осуществляться из-за огромной силы трения. По итогу голоса сторонников и противников счетной машины Леонардо да Винчи разделились, но, тем не менее, IBM решила убрать эту модель из коллекции

Но, оставим наработки Леонардо Да Винчи. Расцвет арифмометров пришелся на 17 век. Первой построенной моделью стал арифмометр Вильгельма Шиккарда в 1623 году. Его машина была 6-разрядной и состояла из 3 блоков — множительного устройства, блока сложения-вычитания и блока записи промежуточных результатов.

Копия арифмометра Шиккарда

Также 17 век отметился ещё несколькими арифмометрами: «паскалина» за авторством Блеза Паскаля, арифмометр Лейбница и машина Сэмюэля Морленда. В промышленных масштабах арифмометры начали производиться в начале 19 века, а распространены были практически до конца 20-го.

Аналитическая и разностная машины Бэббиджа

Чарльз Бэббидж — английский математик, родившийся в конце 18 века. На его счету числится большое количество научных работ и изобретений. Но в рамках данной статьи нас интересуют два его проекта: аналитическая машина и разностная машина.

Идея о создании разностной машины не принадлежит Чарльзу Бэббиджу. Она впервые была описана немецким инженером Иоганном Мюллером в книге с очень сложным названием. До конца не ясно, повлияли ли на Бэббиджа идеи Мюллера при создании разностной машины, поскольку Чарльз ознакомился с его работой в переводе, дата создания которого неизвестна.

Книга Иоганна Мюллера

Считается, что основные идеи для создания разностной машины Бэббидж взял из работ Гаспара де Прони и его идей о декомпозиции математических работ. Его идея заключалась в следующем: есть 3 уровня, на каждом из которых математики занимаются решением определенных проблем. На верхнем уровне находятся самые крутые математики и их задача — вывод математических выражений, пригодных для расчетов. У математиков на втором уровне стояла задача вычислять значения функций, которые вывели на верхнем уровне, для аргументов, с определенным периодом. Эти значения становились опорными для третьего уровня, задачей которого являлись рутинные расчеты. От них требовалось делать только грамотные вычисления. Их так и называли — «вычислители». Эта идея навела Бэббиджа на мысль о создании машины, которая могла бы заменить «вычислителей». Машина Бэббиджа основывалась на методе аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Собственно, поэтому машина и называется разностной.

В 1822 году Бэббидж построил модель разностной машины и заручился государственной поддержкой в размере 1500 фунтов стерлингов. Он планировал, что закончит машину в течение 3 лет, но по итогу работа была не завершена и через 9 лет. За это время он получил ещё 15500 фунтов стерлингов в виде субсидий от государства. Но всё же часть машины функционировала и производила довольно точные (>18 знаков после запятой) расчеты.

Созданная на основе работ Бэббиджа разностная машина

Во время работы над разностной машиной у Чарльза Бэббиджа возникла идея о создании аналитической машины — универсальной вычислительной машины. Её называют прообразом современного цифрового компьютера, и не зря. Она состояла из арифметического устройства (»мельницы»), памяти (»склада») и устройства ввода-вывода, реализованного с помощью перфокарт различного типа. К сожалению, данная идея осталась лишь на бумаге.

Схема аналитической машины Бэббиджа

Табулятор

История электромеханических машин начинается в 1888 году, когда американский инженер Герман Холлерит, основатель компании CTR (будущая IBM), изобрел электромеханическую счетную машину — табулятор, который мог считывать и сортировать данные, закодированные на перфокартах. В аппарате использовались электромагнитные реле, известные еще с 1831 года и до Холлерита не применявшиеся в счетной технике. Управление механическими счетчиками и сортировкой осуществлялось электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Импульсы использовались и для ввода чисел, и для управления работой машины. Поэтому табулятор Холлерита можно считать первой счетной электромеханической машиной с программным управлением. Машину полностью построили в 1890 году и использовали при переписи населения США в том же году. Впоследствии табуляторы использовались вплоть до 1960-х — 1970-х годов в бухгалтерии, учете, обработке данных переписей и подобных работах. И даже если в учреждении имелась полноценная ЭВМ, табуляторы все равно использовали, чтобы не нагружать ЭВМ мелкими задачами.

Электромеханические машины времен ВМВ

В 1937 году Клод Шеннон в своей работе A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits показал, что электронные связи и переключатели могут представлять выражения булевой алгебры. Машины тех лет можно условно на два типа: электромеханические (основанные на электромагнитных переключателях) и электронные (полностью на электровакуумных лампах). К первым относились американский Harvard Mark I и компьютеры немецкого инженера Конрада Цузе.

Mark I

Работа над Mark I началась в 1939 году в Endicott laboratories по субподрядному договору с IBM. В качестве основы использовались наработки Чарльза Бэббиджа. Компьютер последовательно считывал инструкции с перфоленты, условного перехода не было, циклы организовывались в виде склеенных в кольцо кусков перфоленты. Принцип разделения данных и инструкций в Mark I получил известность как Гарвардская архитектура. Машину закончили в 1944 году и передали в ВМФ США. Характеристики:

В 1936 немецкий инженер Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем Z1. Первые две модели из серии Z были демонстративными. Следующий же компьютер, Z3, который закончили в 1941, имел практическое применение: с его помощью делали аэродинамические расчеты (стреловидные крылья самолетов, управляемые ракеты). Машина была выполнена на основе телефонных реле. Инструкции считывались с перфорированной пленки. Так же, как в Mark I, отсутствовали инструкции условного перехода, а циклы реализовывались закольцованной перфолентой. Z3 имел некоторые преимущества перед своими будущими собратьями (ENIAC, Mark I): вычисления производились в двоичной системе, устройство позволяло оперировать числами с плавающей точкой. Так как Цузе изначально исходил из гражданских интересов, его компьютеры более близки к современным, чем тогдашние аналоги. В 1944 году практически был завершен Z4, в котором уже присутствовали инструкции условного перехода. Характеристики Z3:

Первые ламповые компьютеры

Однозначно определить первый в мире компьютер сложно. Многими учеными определение первого поколения основывается на вычислительной базе из электронных ламп. При этом первое поколение компьютеров разрабатывалось во время Второй мировой войны. Возможно, созданные в то время компьютеры засекречены и по сей день. В целом выделяют два возможных первенца — ENIAC и Colossus

ENIAC

Electronic Numerical Integrator and Computer (Электронный числовой интегратор и вычислитель) или ENIAC создавался по заказу от армии США для расчета баллистических таблиц. Изначально, подобные расчеты производились людьми и их скорость не могла соотноситься с масштабом военных действий. Построен компьютер был лишь к осени 1945 года.

Colossus

Colossus в отличие от ENIAC был очень узконаправленной машиной. Он создавался исключительно с одной целью — декодирование немецких сообщений, зашифрованных с помощью Lorenz SZ. Эта машина было схожа с немецкой Enigma, но состояла из большего числа роторов. Для декодирования этих сообщений было решено создать Colossus. Он включал в себя 1500 электронных ламп, потреблял 8,5 КВт и обладал тактовой частотой в 5.8 МГц. Такое значение частоты достигалось за счет того, что Colossus был создан для решения только одной задачи и применяться в других областях не мог. К концу войны на вооружении Британии стояло 10 таких машин. После войны все они были уничтожены, а данные о них засекречены. Только в 2000 году эта информация была рассекречена.

Реконструированная модель Colossus

Принцип работы

Вакуумные лампы

Радиолампа представляет собой стеклянную колбу с электродами, из которой откачан воздух. Простейшая разновидность ламп — диод, состоящий из катода и анода, а также спирали, разогревающей катод до температур, при которых начинается термоэлектронная эмиссия. Электроны покидают катод и под действием разности потенциалов притягиваются к аноду. В обратном направлении заряд не переносится, так как заряженных ионов в колбе нет (вакуум). При изменении полярности электроны, покинувшие разогретый электрод, будут притягиваться обратно. До второго электрода они долетать не будут, отталкиваясь от него из-за отрицательного потенциала. Если добавить еще один электрод, то получится триод. В электровакуумном триоде устанавливается сетка между катодом и анодом. При подаче на сетку отрицательного потенциала она начинает отталкивать электроны, не позволяя им достичь анода. При подаче модулированного сигнала ток будет повторять изменения потенциала на сетке, поэтому изначально триоды использовали для усиления сигналов.

Радиолампа и схема триггера на двух триодах

Если взять два триода и соединить анод каждого с сеткой другого, то мы получим триггер. Он может находиться в одном из двух состояний: если через один триод идет ток (триод открыт), то на сетке второго триода появляется потенциал, препятствующий току через второй триод (триод закрыт). Если кратковременно подать отрицательный потенциал на сетку открытого триода, то мы прекратим ток через него, что откроет второй триод, который уже закроет первый. Триоды поменяются местами. Таким образом можно хранить один бит информации. Через другие схемы триодов можно строить логические вентили, реализующие конъюнкцию, дизъюнкцию и отрицание, что позволяет создать электронно-вычислительное устройство.

Запоминающее устройство

На первых порах развития ЭВМ использовались разные подходы к созданию запоминающих устройств. Помимо памяти на триггерах из радиоламп и на электромагнитных реле (как в Z3) имелись следующие виды:

Линии задержки

Основная идея линий задержки возникла в ходе разработки радаров во время Второй мировой войны. В первых ЭВМ в качестве линий использовались трубки с ртутью (у нее очень низкое затухание ультразвуковых волн), на концах которой располагались передающий и принимающий пьезокристаллы. Информация подавалась с помощью импульсов, модулированных высокочастотным сигналом. Импульсы распространялись в ртути. Информационная емкость трубки в битах равнялась максимальному количеству одновременно передаваемых импульсов. Единица кодировалось присутствием импульса на определенном «месте», ноль — отсутствием импульса. Приемный пьезокристалл передавал импульс на передающий — информация циркулировала по кругу. Для записи вместо регенерации импульсов вводились записываемые. Такой вид памяти использовался в компьютерах EDVAC, EDSAC и UNIVAC I.

Запоминающее устройство на ртутных акустических линиях задержки в UNIVAC I

Запоминающие электронно-лучевые трубки (трубки Уильямса)

При попадании электронного луча на точку на люминофорном экране происходит вторичная эмиссия и участок люминофора приобретает положительный заряд. Благодаря сопротивлению люминофорного слоя, точка долю секунды держится на экране. Однако, если не отключать луч сразу, а сдвинуть его в сторону от точки, рисуя тире, то электроны, испущенные во время эмиссии, поглощаются точкой, и та приобретает нейтральный заряд. Таким образом, если выделить N точек, то можно записать N бит информации (1 — нейтральный заряд, 0 — положительный заряд). Для считывания информации используется доска с электродами, прикрепленная к внешней стороне экрана. Электронный луч снова направляется в точку, и та приобретает положительный заряд независимо от изначального. С помощью электрода можно определить величину изначального заряда (значение бита), однако информация уничтожается (после каждого считывания нужна перезапись). Так как люминофор быстро теряет заряд, необходимо постоянно считывать и записывать информацию. Такой вид памяти использовался в Манчестерском Марк I и Ferranti Mark1; американских IBM 701 и 702

Магнитные барабаны

Магнитные барабаны чем-то похожи на современные магнитные диски. На поверхность барабана был нанесен тонкий ферромагнитный слой. Несколько считывающих головок, расположенных по образующим диска, считывают и записывают данные на своей отдельной магнитной дорожке.

Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана строилась на следующих принципах:

Основным недостатком этой архитектуры является ограничение пропускной способности между памятью и процессором. Из-за того, что программа и данные не могут считываться одновременно, пропускная способность между памятью и процессором существенно ограничивает скорость работы процессора. В дальнейшем, данную проблему решили с помощью введения кеша, что вызвало другие проблемы( например, уязвимость Meltdown).

Справедливости ради необходимо уточнить, что данные идеи не являются идеями Джона фон Неймана в полной степени. Также в их разработке участвовали ещё несколько ученых, пионеров компьютерной техники: Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мокли.

Гарвардская архитектура

Языки

В самых первых компьютерах программы считывались с перфоленты (как в Z3 и Mark I). Устройство чтения перфоленты предоставляло управляющему устройство код операции для каждой инструкции и адреса памяти. Затем управляющее устройство все это декодировало, посылало управляющие сигналы вычислительному блоку и памяти. Набор инструкций жестко задавался в схеме, каждая машинная инструкция (сложение, сдвиг, копирование) реализовывалась непосредственно в схеме. В ENIAC для изменения программы его нужно было перекоммутировать заново, на что уходило значительное время. Машинные коды считают первым поколением языков программирования.

Перфорированная лента с программой вычислений

Первые программисты всегда имели при себе блокнот, в который они записывали наиболее употребляемые подпрограммы — независимые фрагменты программы, вызываемые из главной подпрограммы, например извлечение корня или вывод символа на дисплей. Проблема состояла в том, что адреса расположения переменных и команд менялись в зависимости от размещения в главной программе. Для решения этой проблемы кембриджские программисты разработали набор унифицированных подпрограмм (библиотеку), которая автоматически настраивали и размещали подпрограммы в памяти. Морис Уилкс, один из разработчиков EDSAC (первого практически реализованного компьютера с хранимой в памяти программой), назвал библиотеку подпрограмм собирающей системой (assembly system). Теперь не нужно было собирать программу вручную из машинных кодов, специальная программа (ассемблер) «автоматически» собирала программу. Первые ассемблеры спроектированы Кэтлин Бут в 1947 под ARC2 и Дэвидом Уилером в 1948 под EDSAC. При этом сам язык (мнемоники) называли просто множеством базовых команд или начальными командами. Использовать слово «ассемблер» для процесса объединения полей в командное слово начали в поздних отчетах по EDSAC. Ассемблер можно назвать вторым поколением языков.

«Начальные команды» для EDSAC

Компьютеры первого поколения в СССР

После Второй мировой войны часть немецких разработок в области компьютерных технологий перешли СССР. Ведущие специалисты сразу заинтересовались возможностями ЭВМ, а правительство согласилось, что устройства для быстрых и точных вычислений — это перспективное направление.

МЭСМ и БЭСМ

В 1948 году основоположник советской вычислительной техники С.А. Лебедев направил в Академию наук СССР докладную записку: в ней сообщалось о необходимости создания ЭВМ для практического использования и научного прогресса. Для разработки этой машины под Киевом, в Феофании институту отвели здание, ранее принадлежавшее монастырю. Через 2 года МЭСМ (малая электронная счетная машина) произвела первые вычисление — нахождение корней дифференциального уравнения. В 1951 году инспекция из академии наук приняла работу Лебедева. МЭСМ имела сложную трехадресную систему команд и следующие характеристики:

В 1950 году Лебедева перевели в Москву. Там он начал работать над БЭСМ-1 и к 1953 году построил опытный образец, отличавшийся отличной производительностью. Характеристики были следующими:

Серия «М» и «Стрела»

В тоже время в Москве велась работа над М-1. М-1 была намного менее мощной, чем МЭСМ, но при этом занимала намного меньше места и тратила меньше энергии. Характеристики М-1:

В 1952 году на свет выпустили М-2. Её мощность увеличилась практически в 100 раз, при этом количество ламп увеличилось только вдвое. Подобный результат получился благодаря использованию управляющих полупроводниковых диодов. Характеристики М-2 были следующие:

В «массовое» производство первой попала «Стрела». Всего было произведено 7 штук. Характеристики «Стрелы» были следующие:

Во многих смыслах «Стрела» была хуже М-2. Она выполняла всё те же 2 тысячи операций в секунду, но при этом занимала на порядок больше места и тратила в несколько раз больше электричества. М-2 не попала в массовое производство, поскольку её создатели не уложились в срок. М-1 не обладала хорошей производительностью и к моменту, когда М-2 была доведена до ума, «Стрела» была отдана в производство.

Следующий потомок серии «М» — М-3 вышел в 1956 году и был в каком-то смысле урезанным вариантом. Она выполняла порядка 30 операций в секунду, но при этом занимала мало места, благодаря чему пошла в серийное производство. Характеристики М-3 были следующие:

Эпилог

Без технологического рывка, сделанного в 40-е годы, и четко сформированного вектора развития вычислительной техники, возможно, сегодня мы бы и не сидели в компьютерах и телефонах, читая статейки на хабре. Как показал опыт разных ученых, порой уникальные и революционные для своего времени образцы вычислительной техники не были востребованы как государством, так и обществом (например, машины серии Z Конрада Цузе). Переход ко второму поколению компьютеров во многом определился сменой вакуумных ламп на транзисторы и изобретением накопителей на ферритовых сердечниках. Но это уже другая история…

Облачные серверы от Маклауд быстрые и надежные. Без древнего железа.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!

Источник