Центр стратегических оценок и прогнозов

Автономная некоммерческая организация

Главная / Наука и общество / Материалы направления
Рождение и жизнь компьютеров
Материал разместил : Администратор Дата публикации: 23-03-2020

Эдуард Михайлович Пройдаков  — специалист по информационной безопасности Федерального ресурсного центра, член Союза журналистов России, создатель и директор «Российского виртуального компьютерного музея», переводчик книг по программированию, автор статей по  электронике. Недавно он прочел лекцию для студентов Губкинского университета нефти и газа об истории компьютеров: «Сегодня с быстротой ветра меняются компьютерные технологии. Следуя им, мы меняем дизайн компьютеров и добавляем им новые возможности, - заметил Э. Пройдаков. - В Москве существуют пять-шесть компьютерных музеев и их сайты в интернете, в частности - музей компьютеров Apple. В Европе я таких музеев не видел».

Возле станции метро «Парк культуры» расположен музей компании Yandex. В нем широко представлена старая техника, которую можно  посмотреть, поработать на ней и почувствовать дух ушедшей эпохи.

Политехнический музей скоро откроет двери после реставрации. В нем будут представлены образцы первых больших машин, которых нет в маленьких музеях, а также будут организованы обзоры масштабных проектов по автоматизации производств, в частности, - завода АЗЛК.

У молодых специалистов  должен быть целостный взгляд на развитие вещей. Поэтому, интересно взглянуть на историю вычислительной техники, как на последовательные этапы ее эволюции.

 

Эдуард Пройдаков

История компьютера – это история исчислений.

Римская система исчисления (римские цифры), которую мы проходим в школе, имеет историю, происходящую от шумерских писцов. Из Шумера эта система попала в Египет, из Египта в Грецию, из Греции в Рим, и затем осчастливила весь мир. Она очень простая, в ней очень легко осуществлять множество операций. В основном это операции учетные. Писцы учитывали всевозможные налоги, поступления в казну и так далее. В Египте были и свои институты. Назывались они «Дома знаний». Эти институты были при храмах. Результаты исчислений принадлежали фараонам.

Многие европейские ученые, такие как, Пифагор, проходили обучение в Египте. Ученые давали подписку, что никогда не будут публиковать свои труды. Пифагор сдержал слово. Письменных доказательств его трудов нет. Его ученики разнесли знания по всему миру. Это были люди, которые  опередили свое время. Например, колоссальные достижения того времени в математической физике и начале интегральных исчислений. 

Сначала - китайские счеты, потом – русские. После этого в 17-м веке -  механические счетные устройства. Первая машина могла вычитать и складывать, а умножение — это многократное повторение этих операций.

Ранняя эпоха вычислительных машин - это история изобретения и создания механических устройств и счетов, арифмометров, аналоговых машин, всего того, что сейчас находится в музеях.

Историю эту начал в 19-м веке английский математик Чарльз Бэббидж, вернее – три его разностные машины. Их можно увидеть в музее науки в Лондоне:  дифференциальную, арифметическую и аналитическую. Машины – механические. Чтобы прокрутить жерло машины и запустить генератор, имелась мощная паровая машина. Беббидж на целый век предвосхитил появление вычислительной техники.

Ему помогала Ада Лавлейс - первая в мире программистка. Она первая сообразила, что в программах должны быть команды перехода, и  придумала подпрограммы. В ее честь назвали язык программирования, и он стал стандартным языком Министерства обороны. Большинство военных систем пишут на этом языке.

В  1938 году немецкий инженер Конрад Цузе построил первую  программируемую вычислительную релейную машину, модель Z1. Это была двоичная вычислительная машина с вводом данных с помощью клавиатуры в десятичной системе исчисления в виде чисел с плавающей запятой. До конца войны он ввел еще четыре машины. Все они стоят в Немецком техническом музее г. Берлин и Немецком музее г. Мюнхен.

Конрад Цузе и макет счетной машины Z1 (https://www.instaclustr.com/apachecon-berlin-2019/)

В 40-х годах ХХ века появились ламповые вычислительные машины.

После них – машины на транзисторах, машины на схемах малой интеграции (до десяти транзисторов в микросхеме), средней интеграции (сто и выше), большие интегральные схемы (от 1000 до 10 тыс. бит). Потом пошли сверхбольшие интегральные схемы (100 тыс. бит). Потом - ультра батареи и сейчас то, с чем мы работаем, - процессоры Pentium и другие. Это – кибербольшие интегральные схемы.

Каждое поколение машин, повышает размеры элементной базы и повышает их надежность.

Параллельно с этим, с конца 60-х годов начали развиваться компьютерные сети, и возникла колоссальная сеть Интернет и его соцсетями и т.д.

С 2012 года рождается новое явление, третья волна искусственного интеллекта. Искусственный интеллект (ИИ) развивался волнообразно. В 50-х годах говорили, что компьютер сможет выполнять самые разные функции: переводить тексты, решать математические задачи, но достичь уровня человеческого интеллекта не удалось.

В 2012 году появилось так называемое глубокое машинное обучение. И здесь ИИ добился колоссальных успехов: выполнение  рекомендательных советов в разных областях, распознавание речи и т.д.

Сегодня самое актуальное – перейти  к следующей фазе,  к контролируемому обучению ИИ, и для этого необходимо готовить большие наборы данных. И здесь важно акцентировать следующее: искусственный интеллект используют не только хорошие ребята, но и плохие. Сейчас много атак в компьютерных системах производятся с помощью ИИ.

Идея основных элементов превратилась в то, что теперь мы называем машиной фон Неймана, или - архитектурой фон Неймана (концепция архитектуры ЭВМ).

Сейчас цифровая техника вытеснила аналоговую, но в начале прошлого века первые полвека очень активно развивались аналоговые машины, процессы которых формируются сторонними процессами: изменением уровня тока или напряжения, изменением уровня воды и т.д.  

Но у аналоговых машин есть неудобство. Сложно отделить полезный сигнал от постороннего, ведь любые сигналы подвержены шумам извне. Гораздо легче это сделать в цифровом виде. Посторонние слои сигнала убрать и получить сигнал чистый.

Цифровой сигнал можно передавать на более дальние расстояния. Аналоговый сигнал искажается при передаче по кабелю. Цифровой можно на любом этапе вновь очистить, усилить и отправить дальше.

Долгое время для электронно-вычислительных машин в мире функционировала двоичная система исчислений.

Советский конструктор Николай Петрович Брусенцов изобрел более эффективную - троичную машину «Сетунь», которая не допускала ошибок округлений.

Малая ЭВМ "Сетунь"

В середине 40-х годов прошлого века были сделаны первые ламповые машины. Они использовались для решения научных и военных задач. Например, - «Эни́гма» (от нем. Änigma — загадка) — переносная шифровальная машина для шифрования и дешифрования секретных сообщений. Это — целое семейство электромеханических роторных машин  использовалось во многих странах мира, но наибольшее распространение получила в нацистской Германии.

Работы по созданию машин всегда велись строго секретно.

Американцы приписывали создание первого компьютера себе, хотя  Черчилль просил Рузвельта признать и заслугу англичан.  

Первая публикация, которая дошла до Сталина о вычислительных машинах, была в газете «Союзный вестник». Это краткая заметка про такую машину у американцев. В 1947 году вышел знаменитый приказ о создании института вычислительной техники на Ленинском проспекте в Москве. Было образовано специальное конструкторское бюро СКБ-245 и НИИ  «Счетмаш» для создания отечественных вычислительных машин.

С 1948 года начались разработки в Москве и в Киеве, и в декабре 1951 года появилась первая советская электронная вычислительная машина М-1 в Москве. В Киеве появилась электронная счетная машина МЭСМ-1. На этих машинах память была меньше килобайта. Машинное слово это 2 байта приблизительно, и всего была 21 команда.

Еще в 1947 году IBM заказала немецкому инженеру Конраду Цузе отчет о том, как он видит развитие вычислительной техники. Этот отчет до сих пор засекречен. Есть предположения, что благодаря этому отчету IBM решила вложиться в развитие конкретной области. 

Первые ламповые вычислительные серийные машины американские были сделаны для противовоздушной обороны. В те времена наиболее талантливых разработчиков ставили на разработку процессоров. Инженеры послабее занимались периферийным устройством. Остальные занимались разработкой блоков питания. А для ламповых машин самая слабая вещь -  блок питания.

В Курчатовском институте сделали две машины, и разработчик этих машин обратил внимание, что лампы выходят из строя, когда идут броски напряжения при включении машины. Он сделал такой блок питания, на котором работали в десять раз дольше, то есть до 350 часов. По тем временам это колоссальное время.

Суперкомпьютер «Ломоносов», построенный компанией «Т-Платформы» для МГУ им. М.В. Ломоносова до 2014 года считался самым мощным компьютером в России, который потребляет энергии достаточной для освещения небольшого города, типа Истры в Подмосковье. В настоящее время серверной фабрикой создаются более мощные компьютеры.

Супер-ЭВМ "Ломоносов"

Вычислительная мощность компьютера (производительность компьютера) — это количественная характеристика скорости выполнения определённых операций. Вычислительная мощность измеряется во флопсах (количество операций с плавающей запятой в секунду). Считается, что чтобы обеспечить питанием суперкомпьютер производительностью в один терафлопс, требуется энергия от одного блока атомной электростанции. На данный момент принято причислять к суперкомпьютерам системы с вычислительной мощностью более 10 терафлопсов.

Известно, что американские компьютеры съедают более 10% процентов вырабатываемой в стране электроэнергии. И это колоссальная проблема для всех стран. Сегодня одна из актуальных задач – сделать компьютер, который потреблял бы энергии в 10 раз меньше.

Особое внимание заслуживает первая отечественная серийная машина «Стрела».  Запустило ее в 1953 году СКБ-245.  Была построена серия из семи машин, которая сослужила хорошую службу для атомных и ракетных проектов того времени.

Подобные проекты дублировались и поручались другим институтам. Возникла профильная конкуренция. Стали появляться новые семейства советских цифровых машин.  Например, - «Минск» для использования в высшем образовании и науке. «Урал» — ЭВМ общего назначения. Эти машины производили до середины 1960-х годов. 

В 1964 году корпорация IBM, представила семейство IBM System/360. Это были первые универсальные компьютеры с байтовой адресацией памяти и т. д. Совместимые с System/360 компьютеры IBM System z выпускаются до сих пор. Это - абсолютный рекорд совместимости.

В конце 60-х случился великий перелом. Хотя в Советском Союзе появились линейки машин, но они возникали хаотически и некоторые системы оказывались непроработанные.

Американцы свои машины прорабатывали более системно. Системный анализ помог спроектировать идею совместимости машин друг с другом. В нашей стране  для министерства обороны было разработано около 250 видов машин. Проблема унификации машин была и на Западе, и у нас. Сначала удалось свести многообразие типов до трех десятков. Унификацию диктовали разные требования: военные, производственные, научные, гражданские и т.д.

Идея унификации требовала копирования компьютерных разработок.

Практика копирования западных образцов возникла не от хорошей жизни. У нас не было достаточного количества разработчиков. Копирование  позволило освоить новые технологии и разработать собственные. Путем копирования пошли и китайцы. Сегодня многие их вещи на уровне мировых.

Кроме унификации в процессе разработок возникали и чисто практические сложности: ограничения в материалах и металлах, качество контактов.

В результате, несмотря на трудности, добились того, что большая ламповая машина могла делать сто тысяч операций в секунду. Дальше появились полупроводниковые машины. Полупроводники позволили увеличить скорости до одного миллиона операций в секунду. Быстродействие сегодняшнего смартфона - миллиардные операции в секунду.

Один из президентов IBM, сказал: сделаем 5-6 машин, и всему миру хватит, пересчитаем все задачи. Сделали несколько поколений машин, и их не хватило. Сегодня задач столько, что потребности - в миллионах компьютеров.

Закон Мура (Гордона Мура), который в 1965 году был предложен, есть понятие технологической нормы при изготовлении процессоров: удвоение количества транзисторов каждые два года. Произошел колоссальнейший прогресс в развитии компьютерной отрасли. Стало выгодно делать не один процессор в кристалле, а несколько. Стали делать ядра.

«У меня 20-ти летний разработческий опыт, - подчеркнул Э. Пройдаков, - и я беседовал с разработчиками первых машин. Это время середины 1970-х годов, эпоха компьютерного романтизма. Были колоссальные, зачастую очень завышенные ожидания. Ожидалось, что компьютер станет другом и помощником человеку, заменит во многих вещах, принесет счастье в общество. Компьютер есть, а счастья нет. Технологически человечество продвинулось, а социальные проблемы остались, и возникло много новых. Как любое большое явление, компьютер имеет много граней, положительных и отрицательных. Возникла компьютерная преступность, возникло кибероружие и прочие угрозы, связанные с компьютерами и киберпространством».

«Сегодня существует идейный кризис в архитектуре компьютеров, который пытаются решать по-разному, - заметил Э. Пройдаков. - Мы живем в эпоху полной неопределенности. Сказать, ЧТО будет с вычислительной техникой через 50 лет, никто не решится. Замечу лишь, что возвращение к квантовым компьютерам – это, по сути, возращение к аналоговым системам. Создается впечатление, что современные специалисты плохо знают основы строения процессоров. За свою жизнь мне приходилось изучать много языков программирования. Я знаю 25».

Конрад Цузе изобрел первый язык программирования высокого уровня. Именно он описывал применение вычислительной техники в самых разных сферах. Стратегические решения, которые принимались IBM оправдались. Сегодня - новый этап в развитии электроники и разрабатывает его IBM. Это - электроника будущего, которая будет построена на принципах устройства нейронной сети человека. Понять, как работает человеческий мозг, и попытаться его воспроизвести – колоссальная задача человечества.

Марина Корнеева


МАТЕРИАЛЫ ПО ТЕМЕ:Наука и общество
Возрастное ограничение