» Механические калькуляторы

Механические калькуляторы

Одним из самых первых вычислительных устройств является абак, используемый уже более 2000 лет. Абак представляет собой деревянную доску, разделенную на полосы, по которым передвигались камешки или кости. Существует ряд правил, согласно которым костяшки перемещаются в правую или левую сторону абака, что позволяет выполнять различные арифметические операции. (Бухгалтерские счеты являются дальним родственником абака.)

Математические вычисления с помощью арабских цифр пришли в Европу только в VIII– IX веках. Первая европейская механическая счетная машина была создана Джоном Непером (создателем логарифмов) в начале XVII века. Она могла выполнять операцию умножения двух чисел.

В 1642 году Блез Паскаль создал прообраз цифровой вычислительной машины, позволяющей выполнять сложение чисел. Машина предназначалась отцу Паскаля, который работал сборщиком налогов. Позднее, в 1671 году, Готфрид Вильгельм фон Лейбниц разработал вычислительную машину, построив ее только в 1694 году. Она позволяла складывать и умножать числа.

Первый коммерческий механический калькулятор был создан Чарльзом Ксавьером Томасом в 1820 году. Это была совершенная машина” — она выполняла операции сложения, вычитания, умножения и деления.

Первый механический компьютер

Отцом этого компьютера можно по праву назвать Чарльза Бэббиджа, профессора математики Кембриджского университета. Эта машина, созданная в 1812 году, могла решать полиномиальные уравнения различными методами. Создав в 1822 году небольшую рабочую модель своего компьютера и продемонстрировав ее Британскому правительству, Бэббидж получил средства на дальнейшее развитие системы. Новая машина была создана в 1823 году. Она была паровой, полностью автоматической и даже распечатывала результаты в виде таблицы.

Работа над этим проектом продолжалась еще 10 лет, и в 1833 году был создан первый многоцелевой” компьютер, названный аналитической машиной. Она могла оперировать числами с 50 десятичными знаками и сохраняла до тысячи значений. В ней впервые было реализовано условное выполнение операций — прообраз современного оператора IF.

Аналитическая машина Бэббиджа вполне заслуженно считается предшественницей современного компьютера, так как содержит все ключевые элементы, из которых состоит компьютер.

■ Устройство ввода данных. В машине Бэббиджа применен принцип ввода данных с помощью перфокарт, когда-то используемый в ткацких станках на текстильных фабриках.

■ Блок управления. Для управления или программирования вычислительного устройства использовался барабан, содержащий множество пластин и штифтов.

■ Процессор (или вычислительное устройство). Вычислительный механизм высотой около трех метров, содержащий сотни осей и несколько тысяч шестеренок.

■ Запоминающее устройство. Блок, содержащий еще больше осей и шестеренок, позволяющий хранить в памяти до тысячи 50-разрядных чисел.

■ Устройство вывода. Пластины, связанные с соответствующей печатной машиной, использовались для печати полученных результатов.

К сожалению, из-за недостаточной точности механической обработки шестеренок и механизмов первый потенциальный компьютер так и не был полностью построен. Технологический уровень производства того времени был слишком низок.

Интересно, что идея использования перфорационных карт, впервые предложенная Бэббид-жем, воплотилась только в 1890 году. Тогда проводился конкурс на лучший метод табулирования материалов переписи США, победителем которого стал служащий бюро переписи Герман Холлерит, предложивший идею перфокарт. Для обработки данных переписи вручную служащим бюро потребовались бы годы, а благодаря перфорационным картам время табулирования сократилось примерно до шести недель. Впоследствии Холлерит основал компанию Tabulating Machine Company, которая много лет спустя стала известна как IBM.

Одновременно с другими компаниями, IBM разработала целую серию улучшенных счетно-перфорационных систем, содержавших огромное количество электромеханических реле и микродвигателей. Системы позволяли автоматически устанавливать определенное количество перфокарт в положение считывание”, выполнять операции сложения, умножения и сор­тировки данных, а также выводить результаты вычислений на перфорационных картах. Такие счетно-аналитические машины позволяли обрабатывать от 50 до 250 перфокарт в минуту, каждая из которых могла содержать 80-разрядные числа. Перфорационные карты служили не только средством ввода и вывода, но и хранилищем данных. На протяжении более чем 50 лет счетно-перфорационные машины использовались для самых разнообразных математических вычислений; именно с них начался путь многих компьютерных компаний.

Процесс разработки счетно-аналитических машин достиг своей кульминации, когда в 1936–1941 годах Конрад Цузе создал электромеханические системы, то, что мы называем Z3. Эти машины можно рассматривать как первые двоичные компьютеры, использующие электромеханические переключатели и реле.

Электронные компьютеры

Физик Джон Атанасов вместе с Клиффордом Берри с 1937 по 1942 год работали в Университете штата Айова над созданием первой цифровой электронно-вычислительной машины. Компьютер Атанасова–Берри (названный впоследствии ABC — Atanasoff-Berry Computer) стал первой системой, в которой были использованы современные цифровые коммутационные технологии и вакуумные лампы, а также концепции двоичной арифметики и логических схем. После долгого судебного разбирательства 19 октября 1973 года федеральный судья США Эрл Лар-сон аннулировал патент, ранее выданный Эккерту и Мошли, официально признав Атанасова изобретателем первого электронного цифрового компьютера.

Использование вычислительной техники во время второй мировой войны послужило серьезным толчком для развития компьютеров. В 1943 году англичанин Алан Тьюринг завершил работу над созданием военного компьютера Колосс”, используемого для расшифровки перехваченных немецких сообщений. К сожалению, работа Тьюринга не была оценена по достоинству, так как конструкция Колосса” в течение еще многих лет после окончания войны была засекречена.

Помимо расшифровки неприятельских кодов, постепенно возникла потребность в выполнении баллистических расчетов и решении других военных задач. В 1946 году Джон Эккерт и Джон Мошли вместе с сотрудниками Школы электротехники Мура Университета штата Пенсильвания создали первую большую электронно-вычислительную машину для военных целей. Эта система получила название ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator). Она работала с десятизначными числами и выполняла около 300 умножений в секунду, находя значения каждого произведения в таблице, хранящейся в оперативной памяти. Эта система работала примерно в тысячу раз быстрее, чем электромеханические релейные вычисли­тельные машины предыдущего поколения.

В компьютере ENIAC было около 18 тыс. электронно-вакуумных ламп; он занимал полезную площадь, равную примерно 167 м2, и потреблял приблизительно 180 тыс. ватт электроэнергии. Для ввода и вывода данных использовались перфорационные карты, регистры выполняли роль сумматоров, а также предоставляли доступ вида чтение/запись” к хранилищу данных.

Выполняемые команды, составляющие ту или иную программу, создавались с помощью определенной монтажной схемы и переключателей, которые управляли ходом вычислений. По существу, для каждой выполняемой программы приходилось изменять монтажную схему и расположение переключателей.


Патент на электронно-вычислительную машину был первоначально выдан Эккерту и Мошли, но впоследствии, как вы уже знаете, он был аннулирован и предоставлен Джону Ата-насову, создавшему компьютер Атанасова–Берри (АВС).

Немногим ранее, в 1945 году, математик Джон фон Нейман продемонстрировал, что компьютер может представлять собой целостную физическую структуру и эффективно выполнять любые вычисления с помощью соответствующего программного управления без изменения аппаратной части. Другими словами, он доказал, что программы можно изменять, не меняя аппаратного обеспечения. Этот принцип стал основополагающим правилом для будущих поколений быстродействующих цифровых компьютеров.

Первое поколение современных программируемых электронно-вычислительных машин, использующих описанные нововведения, появилось в 1947 году. В их число вошли коммерческие компьютеры EDVAC и UNIVAC, в которых впервые использовалось оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для хранения данных и модулей программы. Как правило, программирование выполнялось непосредственно на машинном языке, несмотря на то что к середине 1950-х годов наука программирования сделала большой шаг вперед. Символом новой компьютерной эры стал UNIVAC (Universal Automatic Computer), первый по-настоящему универсальный буквенно-цифровой компьютер общего назначения. Он применялся не только в научных или военных, но и в коммерческих целях.

Современные компьютеры

После появления UNIVAC темпы эволюции компьютеров заметно ускорились. В первом поколении компьютеров использовались вакуумные лампы, на смену которым пришли меньшие по размерам и более эффективные транзисторы.

От электронных ламп к транзисторам

Современный компьютер представляет собой набор электронных переключателей, которые используются как для представления информации в двоичном коде (в виде двоичных единиц — битов), так и для управления ее обработкой. Эти электронные переключатели могут находиться в двух состояниях — включено” и выключено”, — что позволяет использовать их для хранения двоичной информации.

В первых компьютерах использовались так называемые триоды — вакуумные лампы, изобретенные Ли Де Форестом в 1906 году (рис. 1.1). Триод состоит из трех основных элементов, расположенных в стеклянной вакуумной лампе: катода, анода и разделяющей их сетки. При нагревании внешним источником питания катод испускает электроны, которые со­бираются на аноде. Сетка, расположенная в середине лампы, позволяет управлять потоком электронов. Когда на сетку подается ток отрицательного потенциала, электроны отталкиваются от нее и собираются вокруг катода; при подаче тока положительного потенциала электроны проходят через сетку и улавливаются анодом. Таким образом, изменяя значение по­тенциала сетки, можно моделировать состояние анода включено/выключено”.

К сожалению, вакуумная лампа в качестве переключателя оказалась малоэффективной. Она потребляла много электроэнергии и выделяла большое количество тепла — весьма существенная проблема для вычислительных систем того времени. Вакуумные лампы оказались ненадежными, главным образом из-за постоянного перегрева: в больших системах лампы приходилось менять каждые два часа или даже чаще.

Изобретение транзистора явилось одним из наиболее революционных событий эпохи ПК. В 1947 году инженеры Bell Laboratory Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзистор, который был представлен широкой общественности в 1948 году. Несколько месяцев спустя Уильям Шокли, один из сотрудников компании Bell, разработал модель биполярного транзистора. В 1956 году эти ученые были удостоены Нобелевской премии в области физики. Транзистор, который, по сути, представляет собой твердотельный электронный переключатель, заменил громоздкую и неудобную вакуумную лампу. Поскольку потребляемая транзисторами мощность незначительна, построенные на их основе компьютеры имели гораздо меньшие размеры и отличались более высокими быстродействием и эффективностью.

Три основных компонента вакуумной трубки триода

Переход от вакуумных ламп к транзисторам положил начало тенденции к миниатюризации, которая продолжается и сегодня. Современные ноутбуки и даже карманные компьютеры, питающиеся от аккумуляторных батарей, имеют большую производительность вычислений, чем многие ранние системы, занимавшие целую комнату и потреблявшие неимоверное количество электроэнергии.

Несмотря на все многообразие типов, транзисторы состоят главным образом из кремния и германия, а также добавок определенного состава. Проводимость материала зависит от состава введенных примесей и может быть отрицательной, т.е. N-типа (при добавлении фосфора, в результате чего образуются свободные электроны), или положительной, P-типа (при добавлении бора, в результате чего образуются дырки”, т.е. атомы с недостающими электронами). Материал обоих типов является проводником, позволяющим электрическому току выбирать любое направление. Однако при соединении материалов разных типов возникает барьер, в результате чего электрический ток определенной полярности течет только в одном направлении. Именно поэтому такой материал называется полупроводником.

Для создания транзистора материалы P- и N-типа следует разместить спиной друг к другу”, т.е. поместить пластину одного типа между двумя пластинами другого типа. Если материал средней пластины обладает проводимостью P-типа, то транзистор будет обозначен как NPN, а если N-типа — то как PNP.

В транзисторе NPN одна из пластин, на которую обычно подается отрицательный потенциал, называется эмиттером; средняя пластина называется базой, и последняя пластина, выполненная из того же материала, что и первая, называется коллектором. В транзисторах NPN эмиттер и коллектор выполнены из материала N-типа, а база — из материала P-типа (рис. 1.2). База помещена над кремнием P-типа, разделяющим эмиттер и коллектор, и отделена от него слоем двуокиси кремния. При обычных условиях между кремнием N- и P-типа нет проводимости, что предотвращает поток электронов между эмиттером и коллектором. Когда на базу подается положительное напряжение, этот электрод создает поле, затягивающее электроны эмиттера и коллектора в кремний P-типа, как бы превращая эту область в кремний N-типа. Это создает путь для перемещения электронов, т.е. электрический ток. Транзистор переводится во включенное состояние.

Транзистор PNP работает прямо противоположным образом. Для эмиттера и коллектора используется кремний P-типа, а для базы — N-типа. Когда на базу подается отрицательное напряжение, создается поле, завлекающее электроны с эмиттера и коллектора в кремний N-типа, в результате чего возникает электрический ток и транзистор переходит во включенное состояние.


Когда транзисторы PNP и NPN комбинируются в композицию триггера (т.е. переключателя), замыкаясь друг на друга, ток подается только при переключении транзистора из одного состояния в другое. Далее два транзистора поддерживают друг друга в этом состоянии в замкнутом контуре, используя минимальный ток. По этой причине практически все современные процессоры используют технологию CMOS (комплементарных МОП-транзисторов).

По сравнению с вакуумной лампой транзистор более эффективен в качестве переключателя, к тому же имеет миниатюрные размеры. В 2003 году исследователи компании IBM представили миру самый маленький кремниевый транзистор, имеющий размеры 6 нм (т.е. миллиардных долей метра). Существуют и другие технологии, такие как углеродные нано-лампы, позволяющие создавать даже меньшие транзисторы, вплоть до молекулярной и атомарной величины.

Хотя вакуумные лампы были вытеснены транзисторами и интегральными схемами, они все же остаются популярными в сфере высококачественного аудиооборудования, так как позволяют достичь более чистого и ясного звучания, чем транзисторы. Поскольку ПК все чаще используются для обработки и воспроизведения звука, компания AOpen (подразделение Acer) представила системную плату (AX4B-533 Tube) со сдвоенной вакуумной лампой и специальной архитектурой, уменьшающей генерацию помех. Используя эту системную плату, можно достичь великолепных результатов при воспроизведении музыкальных композиций.

Интегральные схемы

В 1959 году сотрудники компании Texas Instruments изобрели интегральную схему — полупроводниковое устройство, в котором без проводов соединяется несколько расположенных на одном кристалле транзисторов. В первой интегральной схеме их было всего шесть. Для сравнения заметим, что четырехъядерный процессор содержит в себе два двухъядерных, каждый из которых состоит из 291 млн. транзисторов. Таким образом, в корпусе одной микросхемы процессора сосредоточена сила 582 млн. транзисторов.

Реклама

Реклама