Стремительное развитие цифровой вычислительной техники

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

К этому времени в течение почти 500рокiв цифровая вычислительная техника сводилась к простейших устройств для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретенных за 5столiть устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10цифр десятичной системы счисления.

Первый в мире эскизный рисунок тринадцятирозрядного десятичного пiдсумовуючого устройства на основе колес с десятью зубцами принадлежит Леонардо да Вiнчi (Leonardo de Vince, 1452-1519). Он был сделан в одном из его дневников (ученый начал вести дневник еще до открытия Америки в 1492р.).

В 1623р. через 100 с лишним лет после смерти Леонардо да Вiнчi нiмецький ученый Вильгельм Шиккард (Wilhelm Schikkard, 1592-1636) предложил свое решение той же задачи на базе шестиразрядной 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 i оба остались только на бумаге.

Первым реально осуществленным i ставшим известным механическим цифровым вычислительным устройством стала "паскалiна" великого французского ученого Блеза Паскаля (Blaise Pascal, 1623-1662) - 6-ти (или 8-ми) разрядное устройство на зубчатых колесах, рассчитанное на суммирование и вычитание десятичных чисел (1642р.).

Через 30рокiв после "паскалiны" в 1673р. появился "арифметический прибор" Готфрiда Вильгельм Лейбница (Gottfried Wilhelm Leibniz, 1646-1716) - двенадцатиразрядный десятичный устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение i деления, для чего, в дополнение к зубчатых колес использовался схiдчастий валик. "Моя машина дает возможность совершать умножение i деления над огромными числами мгновенно" - с гордостью писал Лейбница своему другу.

О машине Лейбница было известно в большинстве стран Европы. В цифровых электронных вычислительных машинах, которые появились более двух века спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (то же самое, что i "арифметический прибор" Лейбница), получило название арифметического. Позже, с увеличением логических действий, его стали называть арифметико-логическим.

Он стал основным устройством современных компьютеров. Таким образом, два гения XVIIстолiття, установили первые вехи в истории развития цифровой вычислительной техники. Заслуги В. Лейбница, однако, не ограничиваются созданием "арифметического прибора". Начиная со студенческих лет i до конца жизни он занимался исследованием свойств двоичной системы счисления, ставшей в дальнейшем, основной при создании компьютеров. Он придавал ей некоторое мистического значения i считал, что на ее базе можно создать универсальный язык для объяснения явлений мира i использования во всех науках, в том числе в философии. Сохранилось изображение медали, нарисованное В. Лейбница в 1697 г., объясняет соотношение между двоичной i десятичной системами счисления.

Прошло еще более ста лет i только в конце XYIIIсторiччя во Франции были осуществлены следующие шаги, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники - "программное" с помощью перфокарт управление ткацким станком, созданным Жозефом Жаккард (Joseph Jacquard, 1752-1834) i технология вычислений при ручном счете, предложенная Гаспаром де Пронi (Gaspar de Prony, 1755-1838), который распределил числовые вычисления на три этапа: разработка численного метода вычислений, который сводил решения задачи к последовательности арифметических операций, составление программы последовательности арифметических действий, проведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программы. Эти два новшества были использованы англiйцем Чарльзом Беббидж (Charles Babbege, 1791-1881), который 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 (1830-1846рр.). Машина включала пять устройств (как i первые ЭВМ, появившихся 100рокiв спустя): арифметический (АП), запоминающее (ЗУ), управления, ввода, вывода. АП строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на 1000 50-разрядных чисел!). Для ввода данных i программы использовались перфокарты. Предполагаемая скорость вычислений - сложение i вычитание за 1сек, умножение i деления - за 1 мин. Помимо арифметических операций была команда условного перехода.

Были созданы отдельные узлы машины. Всю машину из-за ее громiздкiсть создать не удалось. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более 50000. Заставить такую махину работать можно было только с помощью паровой машины, i намiчав Беббидж.

"...Летом 2001 машина Беббиджа была, наконец, построена стараниями Дорона Суода *, директора лондонского Музея науки. Эта машина не только стала плодом гениального замысла, но i стала шедевром инженерной работы. Она состоит из более восьми тысяч отдельных деталей, в большинстве выточенных вручную - всего пять тонн очень точной механики! Особенно впечатляет "принтер XIX века". Он вiдтискуе результаты вычислений на поверхности печатной формы i печатает их на бумаге. Так завтрашний день становится копией прошлого, а механическое мигтiння деталей - который ожил музыкой мысли, зримыми переливами логики. Поворот рукоятки, i вся машины начинает двигаться. Она рассуждает. Валы трiскотять; шпинделi фурчать; штанги стучат; колеса вращаются.

В свое время Беббидж надеялся, что задуманная им машина станет предсказывать стихийные бедствия и удары судьбы, сводя циферки многочисленных фактов воедино i превращая последовательность единичных событий в фатальную картину всеобщей связи вещей.

Интересно отметить, что в 1870г. (За год до смерти Беббиджа) английский математик Джевонс сконструировал (вероятно, первую в мире) "логическую машину", которая позволяла механiзуваты простейшие логические выводы.

В России о работе Джевонса стало известно в 1893г., Когда профессор университета в Одессе I. Слешинский опубликовал статью "Логическая машина Джевонса" ("Вестник опытной физики и элементарной математики", 1893, р.7).

Первым воспроизвел машину Джевонса профессор П. Д. Хрущев. Экземпляр машины, созданный им в Одессе, получил "в наследство" профессор Харьковского технологического института Щукарев, где он работал начиная с 1911г. Он сконструировал машину заново, привнесший в нее целый ряд усовершенствований i неоднократно выступал с лекциями о машине i о ее возможных практические применения. Одну из лекций была прочитана в 1914г. в политехническом музее в Москве. Присутствовавший на лекции проф. А. Н. Соков писал:

"Если мы имеем арифмометры, составляющих, что вычитающие, что умножают миллионные цифры поворотом рычага, то, очевидно, время требует иметь логическую машину, способную делать безпомилковi выводы и умозаключения одним нажатием соответствующих клавиш. Это сохранит массу времени, оставив человеку область творчества, гипотез, фантазии, вдохновения - душу жизни ". Эти пророческие слова были сказаны в 1914г.! (Журнал "Вокруг света", 18, статья А. Н. Сокова "Мыслительная машина").

К сожалению, машины Хрущева i Щукарева не сохранились. Однако, в статье "Механизация мышления (логическая машина Джевонса)", опубликованной профессором А. Н. Щукарева в 1925 г. ("Вестник знания", 12), дается фотография машины сконструированной Щукарь i ее достаточно подробное описание, а также, что очень важно - рекомендации по ее практическому применению.

Гениальное идею Беббиджа осуществил Говард Айкен (Howard Aiken, 1900-1973), американский ученый, создавший в 1944г. первый в США релейно-механический компьютер. Ее основные блоки - арифметики i памяти были выполнены на зубчатых колесах!

Если Беббидж намного опередил свое время, то Айкен, использовав те же зубчатi колеса, в техническом плане использовал застарiлi решения. Еще на десять лет раньше, в 1934г. нiмецький студент Конрад Цузе (Konrad Zuse, 1910-1995), работавший над дипломным проектом, решил сделать (у себя дома) цифровую вычислительную машину с программным управлением i с использованием - впервые в мире! - Двоичной системы счисления. В 1937г. машина Z1 (Цузе 1) заработала! Она была двоичной, 22-х разрядной, с плавающей запятой, с памятью на 64числа i чисто механической (рычажная)!

В том же 1937г., Когда заработала первая в мире двоичная машина Z1, Джон Атанасов (John Atanasoff, 1903-1963) болгарин по происхождению, живший в США, начал разработку специализированного компьютера впервые в мире применив электронные лампы (300ламп).

Пионерами электроники оказались и англiйцi - в 1942-43роках в Англии при участии Алана Тьюринга (Alan Turing, 1912-1954) была создана ОМ "Колоссус". В ней было 2000електронних ламп! Машина предназначалась для расшифровки радиограмм германского вермахта. Работы Цузе i Тьюринга были секретными. О них в то время знали немногие. Они не вызвали какого-либо резонанса в мире. I лишь в 1946г. когда появилась информация об ЭВМ "ЭНИАК" (Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный цифровой iнтегратор i компьютер), созданную в США Д. Мочли (John Mauchly, 1907-1986) и П. Эккертом (Presper Echert, 1919 - 1995), перспективность электронной техники стала очевидной (в машине использовалось 18 тис.електронних ламп i она выполняла почти 3тис.операцiй засеку). Однако машина оставалась десятичной, а ее память составляла лишь 20слiв. Программы хранились вне оперативной памяти.

Завершающую точку в создании первых ЭВМ поставили, почти одновременно, в 1949-52рр. ученые Англии, Советского Союза i США, которые создали ЭВМ с программой, сохранялась в памяти: Морис Уилкс - ЭДСАК (Maurice Wilkes, 1913, Electronic Delay Storage Automate Computer EDSAC) - электронный автоматический компьютер на линиях задержки, 1949 г .; Сергей Лебедев (1902-1974) - Малая электронно счетная машина "МЭСМ", 1951г.; Исаак Брук - М1, 1952 г.; Джон Мочли i Преспер Эккерт, Джон фон Нейман - ЭДВАК (John von Neumann, 1903-1957, Electronic Discrete Variable Computer EDVAC) 1952г.

Первыми составляющими будущей науки, которые в дальнейшем были использованы для создания основ теории вычислительных машин, стали исследования двоичной системы счисления, проведенные Лейбница (XYIIсторiччя), алгебра логики, разработанная Джорджем Булем (XIХсторiччя), абстрактная «машина Тьюринга", предложенная гениальным англiйцем в 1936г. для доказательства возможности механической реализации любого алгоритма, имеет решение, теоретические результаты Шеннона, Шестакова, Гаврилова (30-iрокы ХХв.), которые объединили электроники с логикой.

Дальнейшем развитии цифровой техники способствовало развитие во второй половине ХХ в. науки о компьютерах. Научные основы цифровых ЭВМ в это время пополнились теорией цифровых автоматов, основами программирования, теорией искусственного интеллекта, теорией проектирования ЭВМ, компьютерными технологиями разнообразных информационных процессов, которые обеспечили становление новой науки, получившей название "Computer Science" (компьютерная наука) у США i "информатика" в Европе. Большой вклад в ее развитие внесли ученые Украины о чем будет сказано ниже.

Теоретическая информатика включала математическое моделирование информационных процессов. Прикладная охватывала вопросы построения и проектирования ЭВМ, сетей, мультимедиа, компьютерные технологии информационных процессов и др.. Главной научной базой прикладной информатики были электроника (микроэлектроника) i теория искусственного интеллекта.

Следует отметить, что в области искусственного интеллекта, несмотря на многие достижения, мы стоим лишь в самом начале развития этого важного научного направления i здесь появляются огромные перспективы сближения компьютеров с "информационными" возможностями человека.

"Вряд ли можно сомневаться, что в будущем все более i более значительная часть закономерностей окружающего нас мира будет пiзнаватися i использоваться автоматическими помощниками человека. Но столь же несомненно i то, что все наиболее важное в процессах мышления i познания всегда будет принадлежать человеку. Справедливость этого вывода обусловлена исторически.

...Человечество не является простой суммой людей. Интеллектуальная i физическое мощь человечества определяется не только суммой человеческих мускулов i мозга, но i всеми созданными им материальными i духовными ценностями. В этом смысле никакая машина i никакая совокупность машин, которые есть в конечном счете продуктом коллективной деятельности людей, не могут быть "розумнiшимы" за человечество в целом, так как при таком сравнении на весы с одной стороны кладется машина, а с другой - все человечество вместе с созданной им техникой, включающей, разумеется i машину которая рассматривалась.

Следует отметить также, что человеку исторически всегда будет принадлежать окончательная оценка интеллектуальных, равно как i материальных ценностей, в том числе i тех ценностей, которые создаются машинами, так что и в этом смысле машина никогда не сможет превзойти человека.

Таким образом, можно заключить, что в чисто информационном плане кибернетические машины не только могут, но и обязательно должны превзойти человека, а в ряде пока еще относительно узких областей они делают это уже сегодня. Но в плане социально-историческом эти машины есть i всегда останутся не более чем помощниками i орудиями человека ". (В. М. Глушков. Мышление и кибернетика / / Вопр.философиы. 1963. 1 .

В настоящее время термин "информатика" все чаще замiняеться более содержательной термином "информационные технологии" (ИТ), обозначающим, с одной стороны, разработку, проектирование i производство компьютеров, периферии и элементной базы для них, сетевого оборудования, алгоритмического i системного программы, а с другой - их применение в системах различного назначения.

Наиболее активное развитие цифровой вычислительной техники в настоящего времени идет, в первую очередь, путем наращивания встроенного искусственного интеллекта. Компьютеры, получившие свое название от первоначального назначения - выполнения вычислений, получили второе, очень важное применение. Они стали незаменимым помощниками человека в его интеллектуальной деятельности и основным техническим средством информационных технологий.