Все поколения ЭВМ Детальное описание каждого поколения

Информационная эпоха длится уже более 70 лет – и в целом для истории это ничтожный срок. Однако уже несколько раз за это время электронно-вычислительные машины делали в своем развитии колоссальные качественные прорывы. Описывая эволюцию электронной вычислительной техники, «летописцы» разбили ее на несколько этапов, которые стали называть поколениями ЭВМ.

Что такое поколение ЭВМ

Под термином «поколение ЭВМ» понимается этап развития вычислительной техники, на котором ее устройство определяется общими частями элементной базы — элементами, на которых построены относящиеся к данному этапу машины. Учитывается также ряд их общих скоростных и технологических свойств и характеристик, сфера применения, доступность – и общие недостатки.

Часто можно прочитать, что такое разделение «условное» — но это сказано ошибочно. Поколения вычислительной техники отличаются одно от другого по конкретным признакам, и переход от одного к другому определяется не произволом авторов, а наличием принципиальных структурных элементов и общих достижений. Некоторая неточность вызвана скорее чрезмерной обобщенностью этих поколений. Сегодня мы проследим основные элементы, свойства, характеристики – и обозначим годы их создания и применения, по возможности стараясь сделать это точнее.

Перед рождением ЭВМ

В середине тридцатых годов ХХ века в области вычислительной техники начались эксперименты с электричеством и сложной механической основой. Главным элементом вычислительных машин этого периода стали электромеханические реле, электромагнитный сигнал приводил в движение сразу много механических подвижных частей (колес), замыкая и размыкая цепи, ведущие к роторным схемам. Так работали Z1 Конрада Цузе (1938 г) и ее усовершенствованные версии – Z2 и Z3, они обслуживали своими расчетами проектировщиков первого ядерного реактора и ракетчика Вернера фон Брауна. И в целом основанная на двоичной системе исчисления (да-нет) и немецком качестве реле, они справлялись со своими задачами. Программирование Z3 осуществлялось при помощи перфорированной пленки. США в 1939 году компания IBM начала работу над созданием Harvard Mark I. Принцип был все тот же — множество колес с цифрами, поворотные переключатели, электромагнитные реле, информация вводилась с помощью перфокарт. Mark I тратил на одно вычисление всего пять секунд. Не смейтесь – тогда это было достижением, ведь он считал сам, без помощи человека!

Сколько поколений ЭВМ существует

Сейчас можно с уверенностью назвать и охарактеризовать четыре поколения ЭВМ. Уже ушли из жизни люди, которые застали первое поколение современной вычислительной техники, а молодым их эпоха кажется глубокой стариной. В сороковые годы прошлого века ведущим инженерам и ученым было понятно, что только освобожденные от механических деталей, исключительно электронные машины будут соответствовать требованиям современности. Мало того, что начнут считать в сотни раз быстрее – все механическое ненадежно! Там заело колесико, там оно искривилось, здесь отошел проводок… Поиск места, где скрылся дефект, превращался в увлекательный квест: только коммутационные провода в электромеханических схемах могли вытягиваться в долину до 1000 (!) километров. И скорость электрона не сравнить со скоростью вращения колесика.

К концу сороковых годов уже создали свои основные труды Клод Шеннон – который разработал теорию информации, Норберт Винер – создатель кибернетики, как отдельной науки, Джон фон Нейманн – инженер-конструктор вычислительных машин и Алан Тьюринг. Понятие полноты машины по Тьюрингу -достаточно сложная вещь, но мы попробуем выразить ее упрощенно. Машина, содержащая множество вычисляющих элементов, должна иметь для каждой вычислимой функции вычисляющий ее элемент или программу, и все, что она делает, должно быть вычисляемой функцией. Еще проще: компьютер должен уметь вычислить все, что поддается вычислению и не может заниматься ничем кроме вычисления. Так что любое гадание и принятие на веру исключено. Хотя, это уже, пожалуй, чересчур упрощенно – но принцип был именно такой.

Первое поколение ЭВМ

Годы применения: 1940-е – 1950-е годы

Элементная база: электронные вакуумные лампы

Габариты: десятки квадратных метров, многотонный вес

Скорость: несколько тысяч операций в секунду

Особенности: требуется принудительное охлаждение, крайне высокое потребление электроэнергии

Если вы когда-нибудь видели внутренности старого телевизора – то имеете представление о том, что было внутри у ЭВМ первого поколения. Слово «ламповый» тогда совсем не означало «уютный и милый».

Преимуществом этих машин стал значительный прорыв в скорости: речь шла уже о тысячах операций в минуту. Вторым преимуществом стала возможность серийного производства этих ЭВМ. Ярчайшие примеры – UNIVAC (UNIVersal Automatic Computer, или универсальный автоматический компьютер) Джона Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспера Эккерта (J. Prosper Eckert), первая запущенная в серию ЭВМ и выполненная в 46 экземплярах, была приобретена среди прочих несколькими военными ведомствами США, корпорациями Westinghouse Electric Corp и General Electric, Комиссией по атомной энергии США и Бюро Переписи Населения США (первый экземпляр). Память на магнитной ленте могла нести 120 тысяч слов и 1 млн 440 тыс. цифр. Устройства ввода данных использовали как магнитную ленту, так и перфокарты.

Советские машины МЭСМ и БЭСМ осуществляли от 2 до 3 тысяч операций в секунду. Их оперативная память едва достигала 2 Кб. В 1958 году на М-2 быстродействие удалось довести до 20 тысяч операция в секунду, а объем оперативной памяти до 4 Кб.

Этому поколению ЭВМ мы обязаны появлению в сленге компьютерщиков понятия bug – «жучок», проблема в работе устройства. Название ей дали самые обычные жучки: их привлекали светящиеся детали, они летели на свет, попадали в контакты и вызывали замыкание в цепях.

Основные недостатки ЭВМ первого поколения:

- очень высокая цена (себестоимость ламп очень высока).

- огромные размеры (машины занимали целые здания, порой сотни квадратных метров, вес исчислялся десятками тонн)

- производимое машинами тепло вело к перегреву и требовало установки дорогостоящих систем охлаждения

- Необходимость системы фильтрации воздуха от пыли (иначе она скапливалась бы тоннами)

- сложность монтажа и дороговизна обслуживания

- чрезвычайно высокие затраты электроэнергии

Второе поколение ЭВМ

Годы применения 1950-е – 1965-й год

Элементная база: транзисторы

Габариты: несколько кубических метров, вес - сотни килограммов

Скорость: десятки тысяч операций в секунду.

Особенности: упрощение программирования

В 1956 году американцы Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике. Результатом их исследований стало создание полупроводникового триода, или транзистора электронного полупроводникового устройства, которое при помощи самого малого входного сигнала могло управлять мощными токами в выходной цепи – транзистор мог генерировать мощный сигнал, управлять им, преобразовывать. Все это раньше требовало множества вакуумных ламп, а теперь устройство для управления сигналом умещалось на небольшой плате.

Наряду с транзисторными схемами вскоре появились и устройства с магнитными сердечниками и барабанами: это еще не современный жесткий диск, но, если привести пример из области эволюции, то это уже та рыба, которая попыталась дышать воздухом и двигаться при помощи плавников по суше.

Радикально уменьшился размер вычислительных машин, снизился расход электроэнергии и очень существенно возросла скорость вычислений: производительность поднялась до 30 тысяч операций в секунду. Новые скорости и возможности сделали возможными создание языков программирования совершенно нового уровня. Такими стали Фортран, Алгол и Кобол. Это и ускорило работу машин, и сделало программирование более доступным видом деятельности, именно с со второго поколения ЭВМ можно считать программирование отдельной профессией. Новая технология позволила внести в сам процесс машинного мышления принципиальное новшество: операционную систему. Это новшество расширило сферы применения компьютеров почти до полной универсальности. В крупных компаниях впервые компьютерам доверили бухгалтерию.

Основные недостатки ЭВМ второго поколения:

- несмотря на снижение габаритов и выделение меньшего количества тепла, они все же требовали установки систем охлаждения

- транзисторная техника требовала постоянного технического обслуживания, интегральные схемы периодически сгорали

- сферы применения ЭВМ второго поколения оставались ограниченными

- покупку ЭВМ могли себе позволить только компании и государственные ведомства, устройства оставались дорогими и чрезмерно крупными для домашнего использования

- ввод данных по-прежнему осуществлялся механическими устройствами и перфокартами

Третье поколение ЭВМ

Годы применения: 1965 -1971 гг

Элементная база: микросхемы, или чипы, магнитные накопители информации

Размеры: 1-2 кубических метра, вес - десятки килограммов

Скорость: до сотен тысяч операций в секунду

Особенности: совместимость, возможность создания сетей, стандартизованная периферия

В самом конце 50-х годов Джек Килби, Курт Леговец и Роберт Нойс в разных американских компаниях решали три разных задачи. Точнее – они искали способы устранить три фундаментальные проблемы, которые стояли на пути у развития микроэлектроники, а именно: как расположить на маленьком кристалле, как изолировать и как соединить нужным образом микроэлектронные устройства, способные заменить собой громоздкие протравленные платы с диодами и транзисторами (тот, кто занимался в школе любительской электроникой, например, паял для школьной дискотеки цветомузыку, хорошо понимает, о чем идет речь). А ведь еще недавно громоздкими казались комнаты, да что там – вычислительные цеха, набитые шкафами с вакуумными лампами. В СССР эти проблемы удалось решить в 1961 году в Таганрогском Радиотехническом Институте ученому и конструктору Леонарду Николаевичу Колесову. Увы, этот замечательный человек умер в возрасте 46 лет в 1971 году, а ведь за свою короткую жизнь он успел ни много, ни мало – создать в СССР микроэлектронику.

Микросхема, или интегральная схема представляет собой сложное устройство из сотен транзисторов, расположенных на одном полупроводниковом кристалле и способное управлять схемами движения сигналов огромной сложности. Уменьшение размеров машины даже не самое главное! Полупроводниковая схема колоссально увеличила оперативную память. Центральный процессор получил возможность одновременно обращаться к нескольким периферийным устройствам, управлять ими и подступил к рубежу многозадачности.

ЭВМ третьего поколения стало возможно выпускать в промышленных масштабах, лидерство прочно захватила компания IBM, которая сделала упор на программную и аппаратную совместимость машин. Огромные вычислительные комнаты (их было еще предостаточно) вполне сочетались с небольшими компактными машинами IBM System/360, занимающими ну… небольшой буфет или книжный шкаф. Изящная роскошь конца 60-х!

IBM создавала новые модели на базе единого комплекса команд и одного интерфейса, плюс (стандартизации в Америке научились еще с Великого чикагского пожара 1871 года, когда шланги пожарных машин не подходили по размеру к гидрантам различных производителей) стандартные коммутационные устройства для подключения периферии. Теперь покупатель по-прежнему дорого платил за машину, но меньше за ее эксплуатацию, и к тому же мог подключать новые устройства и объединять вычислительную мощность нескольких машин. IBM System/360 принесла с собой такие новшества, как стандартный 8-битный байт (раньше байт мог быть 4-битным и даже 6-битным), и 32-х разрядную систему.

В СССР в эти годы обозначилось трагическое отставание наших машин по качеству электронных комплектующих. Некоторое время отечественная вычислительная техника не допускала качественного отставания, но решалось это за счет габаритов, веса, сложности в эксплуатации – а в конечном итоге привело и к отставанию по скорости.

В 1969 году появились прообразы всемирной компьютерной сети, операционная система Unix и язык программирования C.

Третье поколение ЭВМ окончательно перешло на магнитные накопители информации.

Основные недостатки ЭВМ третьего поколения:

- все еще требовались системы охлаждения (кондиционер)

- технологии производства интегральных схем были еще сложны и несовершенны

- обслуживание интегральных схем было сложным и дорогим

Внимание! Сейчас будет названа важная дата!

15 ноября 1971 года машины третьего поколения окажутся вчерашним днем.

Четвертое поколение ЭВМ

Годы применения: с 15 ноября 1971 года по наши дни

Элементная база: микропроцессоры и БИС (большие интегральные схемы) и СБИС (сверхбольшие интегральные схемы, в кристалле которых размещаются до 10 млн элементов)

Скорость: миллионы операций в секунду.

Особенности: компактность и миниатюризация, персонализация вычислительных устройств

К событию приложили руки и головы несколько умнейших людей. В 1969 году японская компания Nippon Calculating Machine, Ltd. разрабатывала новый настольный калькулятор для довольно сложных бухгалтерских вычислений. Для выполнения различных задач требовалось 12 специальных микросхем, каждая выполняла свою задачу, их заказали компании Intel/ 32-летний сотрудник Intel Маршиан Эдвард «Тед» Хофф предложил заменить эту кучу микросхем до трех: одной центральной – которая будет выполнять арифметические функции и менять их в соответствии с логикой задачи, ПЗУ (постоянного запоминающего устройства), которое будет хранить программное обеспечение и ОЗУ, где будут содержаться данные пользователя. Итальянский физик Федерико Фаджин объединил все это в один чип. Ему помогал японец Масатоси Сима. 15 ноября 1971 года Intel представила микросхему 4004 – это был

Первый в мире микропроцессор, который на одном кристалле 3Х4 мм сосредоточил все возможности процессора большой ЭВМ, стоил $200 и был самой инновационной ИС своего времени.

Скорость этих машин достигла миллионов операций в секунду, оперативная память плавно перешла на мегабайты, а теперь и на гигабайты. Стали возможны комплексы многопроцессорных компьютеров – именно так стали их называть в четвертом поколении.

Именно в четвёртом поколении компьютер приобрел всю современную периферию: монитор, клавиатуру, мышь, принтер, сканер. Появились 3D принтеры и стал способен работать со множеством узкоспециальных приборов и датчиков.

Именно в четвёртом поколении ЭВМ компьютер вторгся практически во все сферы человеческой деятельности, от обычных расчетов до современнейших производств, систем генерации и распределения электроэнергии, контроля опасных технических объектов, сложнейших областей медицины.

Именно в четвертом поколении ЭВМ компьютер стал персональным. Теперь вычислительная техника уже не принадлежность крупных компании, богатых людей и профессионалов – каждый может позволить себе собственный компьютер, да и мало у кого их сейчас только по одному. Основами программирования овладевать все больше людей, не имеющих специального образования, появилось множество привлекательных продуктов и профессиональных программ. Компьютер сделал множество профессий доступными в домашних условиях. Бухгалтерские программы, верстка книг и журналов, торговля, прием и обработка заказов на оффлайновые услуги, обучающие программы, игры. Мир опутали сети, Интернет навсегда пришел в каждый дом. Доступной стала любая информация – книги, фильмы, новости, каталоги, базы данных.

Именно в четвертом поколении компьютер с подачи Стива Джобса поселился у человека в кармане, то что раньше занимало несколько комнат или даже цехов с холодильными установками и тратило сотни киловатт, теперь мы носим с собой. Банковские услуги, страхование, покупка билетов на любой вид транспорта – все всегда под рукой.

Пятое поколение ЭВМ

Годы применения: будущее

Те, кто уже считает современные компьютеры пятым поколением ЭВМ, легко опишут их элементную базу: СБИС, оптические и лазерные устройства ввода информации, портативные машины. Но все это уже есть, и может быть отнесено к ЭВМ четвертого поколения. Мы привыкаем и к прогрессу, рост скорости вычислений и сфер применения цифровой техники нас уже не удивляет. Вернее будет назвать пятым поколением ЭВМ то, которое перевернет наш мир и представления о нем так же, как ЭВМ четвертой генерации.

И вот тогда — какими будут компьютеры пятого поколения, мы еще не можем себе представить. Есть лишь определённые направления, куда они наверняка пойдут, и некоторые вещи без которых дело не обойдется. Но мы, тем не менее, вступаем на скользкую стезю прогнозирования.

Можно ли назвать элементной базой компьютеров пятого поколения искусственный интеллект? Вероятно, да, если рассматривать его, как инструмент общения с машиной и инструмент, используемый машиной для решения поставленных ей задач. Насколько размывается грань между компьютером и машиной мы пока не можем сказать, поскольку ИИ и личность – вещи уж очень разные.

Японский проект компьютеров пятого поколения, начатый в 80-е годы прошлого века, предполагал создание «эпохального компьютера», который должен был быть наделен производительностью суперкомпьютера и усилен функциями искусственного интеллекта. Сверхпроизводительность должно было обеспечить взаимодействие неограниченного количества и разнообразия комбинаций микропроцессоров. Интерфейс такой машины предполагалось что в его основе будет лежать просто общение с помощью речи - должен был позволить человеку вести непосредственный диалог с компьютером. Пока не получилось.

В какой сфере будет лежать прорывная технология? Оптические или квантовые компьютеры? Возможно. Параллельные и распределенные вычисления? Может быть. Биометрия, генетические алгоритмы? Очень вероятно. Однако, скорее всего нам предстоит постепенное продвижение и накопление опыта во всех возможных направлениях, а уж в каком из них осуществится качественный скачок, или это окажется нечто принципиально новое… Интересно, букмекерские компании уже принимают на это ставки?

Читайте также историю создания первого персонального компьютера: