Сколько поколений ЭВМ существует, этапы развития вычислительной техники

• Поколения ЭВМ — что понимается под термином
• Краткая история развития вычислительной техники
  • 1 этап (1938-1954)
  • 2 этап (1953-1958)
  • 3 этап (1959-1970)
  • 4 этап (1970-1980)
  • Пятый этап (1980 — настоящее время)
• Сколько поколений ЭВМ существует
• В каком поколении ЭВМ появился монитор
• Благодаря чему происходит смена поколений ЭВМ

Поколения ЭВМ — что понимается под термином

Электронно-вычислительные машины принято делить на поколения. Исследуя их, можно проследить историю развития информационных технологий: понять, как менялась компьютерная отрасль на протяжении многих лет и насколько грандиозного архитектурного и программного прогресса достигло человечество меньше чем за сто лет.

Поколение ЭВМ — качественный скачок в развитии электронно-вычислительной техники.

Деление на поколения осуществляется прежде всего на основе элементной базы, то есть элементов, из которых построена та или иная модель машины, а также ряда технологических характеристик:

• скорости вычислений;
• объема памяти;
• способов ввода;
• переработки информации и т. д.

Разумеется, деление ЭВМ на поколения весьма условно и по сути отражает тот прогресс, которого удалось достичь специалистам в компьютерной отрасли.

Краткая история развития вычислительной техники

В истории ЭВМ принято выделять несколько условных этапов, каждый из которых был связан с появлением принципиально новых электронно-вычислительных машин.

1 этап (1938-1954)

С началом Второй мировой войны в разных странах запустились проекты по развитию ЭВМ. В Германии в 1938 году инженер Конрад Цузе на основе механических арифмометров создал первую вычислительную машину Z1.

Позже появились усовершенствованные версии Z2, Z3 и Z4 — их назначением было выполнение расчетов при проектировании уранового атомного реактора, а также баллистического ракетного оружия и военных самолетов.

Примерно в это же время Англия создала вычислительную машину «Colossus» — она выполняла дешифровку сообщений Вермахта.

В 1944 году Говард Эйкен, американский инженер, усовершенствовал немецкие изобретения, добавив к ним электромеханическое реле — механические детали машины стали перемещаться при помощи электромагнитного сигнала. Американская машина «Mark I» предназначалась для баллистических расчетов — на одно вычисление уходило всего пять секунд.

Электромеханические реле — элементы, в которых электрический сигнал вызывает механическое перемещение подвижных частей, что приводит к замыканию или размыканию исполнительных контактов.

В 1946 американцы Джон Мокли и Джон Эккерт заменили механическое реле на вакуумные лампы, увеличив скорость работы вычислительной техники в 1000 раз. Так появился калькулятор ЭНИАК (ENIAC) с автоматическим вводом данных с перфокарт — первый компьютер, который можно было перепрограммировать для других задач. Машина весила почти 30 тонн и была сложной в обслуживании, тем не менее ENIAC дал принципиально новый толчок развитию компьютерной техники.

Термин «жучки», или «баги» (англ. bugs), то есть сбои в работе компьютеров, связан с ЭНИАК. Частой причиной его поломок были мотыльки, которых привлекал свет: они залетали внутрь аппарата и вызывали короткое замыкание.

В 1951 году американцы начали серийное производство UNIVAC I (аббревиатура от UNIVersal Automatic Computer I) — универсальных автоматических компьютеров для правительственных учреждений, университетов и частных корпораций. Весили машины 13 тонн.

СССР вел собственные разработки ЭВМ. В 1950-х годах академик С. А. Лебедев спроектировал быстродействующие МЭСМ и БЭСМ (малая и большая электронно-счетные машины), которые выполняли 3000 оп/мин. и 8000 оп/с соответственно.

2 этап (1953-1958)

Со временем лампы в ЭВМ заменили полупроводники. Новые аппараты использовались для решения научно-технических задач и управления производственным процессом: в промышленности, банковских и других учреждениях, где требовалось выполнять много рутинных вычислений.

В качестве полупроводников использовались:

• диоды;
• биполярные транзисторы;
• ферриторвые микротрансформаторы.

Полупроводники существенно снизили размеры и потребляемую мощность электронно-вычислительной техники, так как одна единица заменяла целых 40 ламп. Увеличилась скорость выполняемых операций — до нескольких десятков тысяч в секунду. Новая техника стала дешевле, расширив круг пользователей, что заставило задуматься над программной совместимостью.

В 1957 году в корпорации IBM под руководством Джона Бэкуса был создан первый универсальный язык программирования высокого уровня — Фортран (FORTRAN). Позже появились Алгол и Кобол.

Появились процессоры ввода-вывода, благодаря чему ЦП была освобождена от управления этими операциями. Для эффективного управления ресурсами ЭВМ стали использоваться операционные системы (ОС).

Именно в этот период университеты ввели обучение профессии специалиста по информатике.

3 этап (1959-1970)

На смену транзисторам пришли гибридные интегральные микросхемы. Технологию предложил Джек Килби, американский электротехник и нобелевский лауреат по физике. В этом же году Роберт Нойс создал монолитную интегральную схему.

Интегральные микросхемы позволяли разместить десятки элементов на пластине площадью в несколько сантиметров. Благодаря этому повысилась производительность, значительно уменьшились размеры и стоимость электронно-вычислительных машин.

Увеличение мощности позволило использовать на одной ЭВМ несколько программ одновременно — для этого были расширены функции операционной системы.

Также велись активные работы в сфере программирования. Создавались:

• теоретические основы программирования;
• разные виды компиляторов;
• базы данных;
• операционные системы;
• пакеты прикладных программ, предназначенных для различных областей жизни;
• семейства ЭВМ, то есть машины, совместимые между собой на аппаратном и программном уровнях.

Первыми семействами ЭВМ стали американская IBM System 360 и ее советский аналог ЕС ЭВМ — они применялись для решения проектных задач.

4 этап (1970-1980)

70-е годы ознаменовались работами по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), умещавших на одном кристалле целые десятки тысяч элементов.

Изобретение БИС и СБИС привело к значительному уменьшению габаритов и стоимости техники и увеличению производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту.

В начале 70-х компания Intel выпустила микропроцессор i4004 — так появились микропроцессорные ЭВМ.

Микропроцессоры — программные управляемые устройства для обработки информации. Они способны реализовать все функции процессора на одном-единственном кристалле, в то время как процессорам старых типов требуется большое количество микросхем.

В 1976 году сотрудники компании Hewlett-Packard — Стив Джобс и Стефан Возняк — создали первый персональный компьютер, предназначенный для работы в однопользовательском режиме. Изобретение было названо «Apple», а годом позже Джобс зарегистрировал компанию с тем же именем и начал серийное производство персональных компьютеров.

Популярность персональных компьютеров сделала невыгодным производство больших электронно-вычислительных машин, поэтому IBM отказалась от них и вслед за Apple занялась выпуском ПК.

Пятый этап (1980 — настоящее время)

Аппараты предыдущих поколений совершенствовались за счет увеличения количества элементов на единице площади. Следующее поколение ЭВМ должно быть ориентировано на распределенные вычисления (взаимодействие огромного числа процессоров) и имитировать человеческое мышление. Но добиться этого пока не удалось.

В 80-х годах Япония приступила к созданию компьютеров нового типа. Их основной принцип — параллельные вычисления, многопроцессорность и переход от процедурных языков программирования к логическим, чтобы сделать программы самообучаемыми и создать искусственный интеллект. Проект закончился провалом. Не лучше успехи были в СССР, создавшем многопроцессорный аппарат под названием «Марс».

Оказалось, что использование параллельной работы процессоров почти не увеличивает производительность. Логические языки программирования тоже не оправдали ожиданий, так как для создания самообучаемых программ все равно требовали стандартных процедурных ходов.

Тем не менее, появление параллельных вычислений можно считать большим прогрессом в эволюции ЭВМ.

В 1990-х началось активное развитие облачных технологий — этому способствовало значительное увеличение пропускной способности интернета.

Начало XXI века стало эрой мобильных устройств — смартфонов и сотовых телефонов.

Активно развивается робототехника. В 80-х годах роботы начали использоваться на производстве. Сегодня они находят применение в разных сферах: обслуживании, медицине, на потоковых линиях, опасном производстве, в военной технике.

Сколько поколений ЭВМ существует

На сегодняшний день выделяют пять поколений ЭВМ. Для наглядности основные различия между ними представлены в таблице.

Оптические (фотонные) компьютеры. Гипотетические устройства, производящие вычисления с помощью фотонов. Фотоны в 10 раз быстрее электрических сигналов, поэтому оптические компьютеры должны получиться сверхскоростными. Сегодня человечество пользуется компьютерами четвертого поколения.

Пятое поколение ЭВМ — понятие весьма условное. Считается, что пока его не существует — для создания новейших компьютеров необходимо появление принципиально иной элементной базы. Работы активно ведутся по нескольким направлениям:

1. Квантовые компьютеры. Позволят вести несколько вычислений параллельно за счет того, что в квантовом состоянии каждый бит может быть одновременно и нулем, и единицей.
2. Нейрокомпьютеры. По аналогии с работой человеческого мозга, искусственные нейронные сети компьютера будут обеспечивать высокую скорость вычислений и самообучение системы.

Компьютеры пятого поколения существуют лишь в проекте — на сегодняшний день в их разработке не преуспела ни одна страна.

В каком поколении ЭВМ появился монитор

Появление первого компьютерного монитора пришлось на второе поколение ЭВМ. Честь изобретения принадлежит американской компании IBMВ, которая в 1964 году выпустила коммерческую дисплейную станцию IBM-2250 — она использовалась в машинах серии System/360. Модель имела векторный монохромный дисплей размерами 12х12 дюймов, с разрешением 1024 на 1024 точки и частотой обновления 40 Гц.

Качество изображения на первом мониторе разительно отличалось от современных компьютеров: чтобы увеличить производительность, символы, цифры и буквы на экране были разделены на отдельные отрезки и максимально упрощены.

За форматирование символов на экране отвечали специальные подпрограммы, заложенные в память дисплейной станции IBM-2250. Центральному процессору ЭВМ достаточно было указать, какие символы, в каком порядке и где вывести на экране, а расчет отображаемой картинки и управление катодным лучом производились в самой дисплейной станции, что существенно разгружало компьютер.

Благодаря чему происходит смена поколений ЭВМ

Смена поколений электронно-вычислительных машин связана с несколькими факторами:

• совершенствованием элементной базы;
• технологическим прогрессом (ростом производительности, увеличением объема памяти);
• изменениями в архитектуре, расширением круга задач, решаемых ЭВМ;
• изменением способа взаимодействия между пользователем и ЭВМ.

Смена поколений ЭВМ обусловлена углублением знаний о мире и постоянным развитием научных технологий. Но, пожалуй, ее главной движущей силой является то, что человек постоянно совершенствуется, его потребности растут, а желание упростить свою жизнь и сделать ее максимально комфортной становится все сильнее. Если первая вычислительная техника освобождала людей от простых, но рутинных обязанностей, то сегодня от компьютеров требуется гораздо больше: они выполняют самые разные функции — от развлекательных и информационных до коммуникативных. А с развитием искусственного интеллекта человек сможет переложить на машины даже мыслительный процесс и необходимость принятия рациональных решений.

Первые малые электронные вычислительные машины

Г.А. Егоров, Н.Л. Прохоров

Автоматическая цифровая вычислительная машина (АЦВМ) М–1

АЦВМ М-1 была разработана в 1950—1951 году в Лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР И.С. Брука.

Одна из первых цифровых вычислительных машин с программой, хранимой в оперативной памяти. Отчёт Принстонского университета, в котором были сформулированы архитектурные принципы Дж. фон Неймана, в то время не был известен разработчикам М-1.

М-1 имела двухадресную систему команд в отличие от общепринятой в то время и считавшейся наиболее естественной трёхадресной.

М-1 – первая отечественная малогабаритная ЭВМ с использованием полупроводниковых диодов в логических схемах и памяти на обычных осциллографических электронных трубках.

Серьёзные трудности при проектировании М-1 и реализации проекта создавало почти полное отсутствие комплектующих изделий. И.С. Брук нашёл оригинальный выход, воспользовавшись имуществом со складов военных трофеев. С этих складов в лабораторию электросистем поступили некоторые наиболее дефицитные и необходимые для работы приборы и комплектующие элементы (осциллографы, генераторы импульсов, радиолампы, купроксные выпрямители и др.).

В одном из своих авторских свидетельств на изобретение – «Однозначный сумматор двоичных чисел» (№ 366940 от 7.02.1949 г.) И.С. Брук указывал на возможность использования селеновых или германиевых выпрямителей в качестве элементов, выполняющих логические и арифметические операции в цифровых вычислительных машинах.

Технические характеристики

Для представления чисел с фиксированной точкой использовалась двоичная система счисления (24 разряда – модуль числа и 1 разряд – знак числа).

Оперативная память М-1 ёмкостью 512 25-разрядных чисел была реализована в виде быстродействующего электростатического запоминающего устройства из 8 электронно-лучевых трубок ЛО-737 и блоков развертки и управления. Эффект запоминания основывался на явлении вторично-электронной эмиссии. При определённой величине ускоряющего напряжения коэффициент вторичной эмиссии экрана больше единицы, т. е. при бомбардировке экрана лучом число вторичных электронов, покидающих экран, больше числа первичных электронов, попадающих на него. Вследствие этого облучаемый участок экрана приобретает положительный заряд. Для записи двоичной информации использовалась система чтения-записи «фокус-дефокус», при котором «1» записывалась сфокусированным лучом, «0» – расфокусированным лучом. Считывание выполнялось расфокусированным лучом. При считывании «1» появлялся положительный сигнал, но при этом информация стиралась. Поэтому после чтения выполнялась регенерация, т. е. снова записывалась «1».

На экране каждой трубки размещались 32 строки, в каждой из которых содержалось 25 точек, т. е. одно число или команда (всего 256 чисел).

В запоминающем устройстве на магнитном барабане (также 256 чисел) использовался дюралюминиевый цилиндр, покрытый ферромагнитным слоем, и магнитные головки от бытовых магнитофонов.

Производительность М-1 составляла 20 операций/с (сложение двух чисел).

Для контроля правильности работы машины при комплексной стыковке составлялись программы решения простых задач, результаты которых можно было сравнительно легко проверить. Удачной оказалась программа решения уравнения параболы y=x 2 . Одинаковые результаты решения для положительного и отрицательного значений «x» давали возможность определить правильность работы машины, сравнивая распечатки симметричных значений результатов решения. Можно считать, что эта программа явилась первой тестовой программой машины М-1.

Элементная база: лампы 6Н8С, 6Ж4, купроксные выпрямители КВМП-2-7.

Параметры купроксного выпрямителя КВМП-2-7:

• допустимый прямой ток 4 мА;
• прямое сопротивление (при величине тока 3–4 мА) 3 ÷ 5 кОм;
• допустимое обратное напряжение 120 В;
• обратное сопротивление 0,5÷2 МОм.

Монтаж всех электронных схем машины осуществлялся на стандартных панелях двух типов (десяти- и двадцати двухламповые панели). Общее количество электронных ламп в М-1 – 730 шт. Число ламп уменьшено благодаря использованию полупроводниковых диодов в логических схемах.

Конструктивно М-1 была выполнена в трёх стойках, расположенных по бокам прямоугольной вентиляционной колонны, и содержащими:

• главный программный датчик (устройство управления, УУ);
• арифметический узел (АЛУ);
• запоминающие устройства двух видов.

Устройства ввода и вывода данных – немецкий рулонный телетайп и фототрасмиттер ввода с перфоленты – располагались на отдельном столе и при помощи разъёмных кабелей соединялись со стойками.

Питание М-1 осуществлялось от 4-хмашинного агрегата постоянного тока. Блоки электростатического запоминающего устройства (ЗУ) и некоторые узлы памяти на магнитном барабане имели питание от электронных стабилизаторов напряжения.

Площадь, занимаемая М-1, составляла 9 кв.м.

15 декабря 1951 г. отчёт о работе «Автоматическая цифровая вычислительная машина М‑1» был утверждён директором Энергетического института АН СССР академиком Г.М. Кржижановским.

Одним из первых решал на M-1 свои задачи академик С.Л. Соболев, в то время заместитель по научной работе у академика И.В. Курчатова. Для его коллектива требовалось провести расчеты по обращению матриц большой размерности, что было выполнено на М-1 в самом начале 1952 года.

Свои расчеты осуществляли сотрудники академика А.И. Берга. Решали на этой машине свои задачи и учёные ряда институтов Академии наук СССР. АЦВМ М-1 находилась в эксплуатации более трёх лет.

Основные разработчики: Н.Я. Матюхин, М.А. Карцев, Т.М. Александриди, Ю.А Лавренюк, А.Б. Залкинд, В.В. Белынский, В.В. Карибский, Р.П. Шидловский.

Быстродействующая универсальная цифровая вычислительная машина М-2

М-2 была разработана в 1952 году в Лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР И.С. Брука.

И.С. Брук во время наладки М-2

При разработке М-2 частично были использованы идеи, воплощенные в машине М-1.

С 1953 г. осуществлялась круглосуточная эксплуатация М-2 при решении прикладных задач.

В 1955—1956 гг. машина была существенно модернизирована, после чего она получила оперативную память на ферритовых сердечниках емкостью 4096 чисел. Ферритовая память для М-2 была разработана группой под руководством М.А. Карцева, в состав которой входили О.В. Росницкий, Л.В. Иванов, Е.Н. Филинов, В.И. Золотаревский.

Технические характеристики

Рис. 2. УУ и АУ М-2.

• Формат команд – 34-разрядный.
• Система команд – трёхадресная.
• Выполняемые операции – сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение по модулю, сравнение алгебраическое, логическое умножение, перемена знака, перенос числа, вспомогательные операции (всего 30 операций):
  • шесть арифметических операций;
  • два вида операций сравнения (алгебраическое и сравнение по модулю);
  • семь операций переключения (плавающая точка / фиксированная точка и обратно, нормальная точность/двойная точность и обратно, переключение на фиксированную точку и одновременно на двойную точность и т. д.);
  • операция логического умножения двух чисел; операции переноса числа, изменения знака числа; четыре операции ввода данных;
  • три операции вывода данных;
  • четыре операции перемотки магнитной ленты внешнего запоминающего устройства (ВЗУ);
  • операция “стоп».
• Арифметический узел М-2 параллельного типа с четырьмя триггерными регистрами.
• Точность вычислений составляла около 8 десятичных знаков при работе с плавающей точкой и около 10 десятичных знаков с фиксированной точкой. Были возможны вычисления с удвоенной точностью.
• Быстродействие: в среднем 2000 операций в секунду.
• Элементная база:
  • лампы 6Н8С, 6Ж4, купроксные выпрямители КВМП-2-7. Общее число электронных ламп — 1879, из них – 203 в источниках питания.
• Внутренние запоминающие устройства:
  • основное – 512 чисел, электростатическое (на электроннолучевых трубках 13Л037);
  • время обращения – 25 мкс;
  • дополнительное – 512 чисел на магнитном барабане (МБ);
  • скорость вращения МБ –2860 об/мин.
• Внешнее запоминающее устройство ёмкостью 50 тыс. чисел на магнитной ленте; длина ленты 600 м, скорость движения 0,4 м/с.
• Ввод данных – фотосчитывающее устройство с перфоленты.
• Вывод данных – телетайп.
• Конструктивно каждый узел машины состоял из отдельных блоков, которые располагались на шасси, прикреплённых к рамам шкафов. Электронная часть машины была собрана на съёмных ламповых субблоках с 14-контактными или 20-контактными разъёмами. Принятые конструктивные решения обеспечили лёгкость замены отказавших электронных ламп, контроля и диагностики схем с помощью стендов.
• Питание:
  • 3-фазная сеть переменного тока 127/220 В;
  • потребляемая мощность 29 кВт.
• Система охлаждения — воздушная с замкнутым циклом.
• Площадь, занимаемая М-2, составляла 22 кв.м.

На М-2 проводились расчёты для Института атомной энергии, Института теоретической и экспериментальной физики АН СССР, Института проблем механики АН СССР (расчёты прочности плотин Куйбышевской и Волжской гидроэлектростанций), Теплотехнической лаборатории АН СССР, Военно-воздушной академии, Артиллерийской академии и многих других научных и промышленных организаций.

В 1953 г. на М-2 были проведены численные расчёты нагрева ракет в атмосфере Земли из-за уплотнения воздуха, возникающего перед баллистической ракетой при гиперзвуковом обтекании. Определение термодинамических параметров газа потребовало решения сложной системы алгебраических уравнений и могло быть выполнено только на цифровой ЭВМ. Результаты расчётов использовались в ОКБ С.П. Королева для определения необходимого количества теплозащитного материала конструируемой межконтинентальной ракеты.

Вокруг М-2 сложился неформальный круг программистов, работавших в разных организациях, в который входили Г.М. Адельсон-Вельский, В.Л. Арлазаров, М.М. Бонгард, А.Л. Брудно, М.Я. Вайнштейн, Д.М. Гробман, А.С. Кронрод, Е.М. Ландис, И.Я. Ландау, А.Л. Лунц и другие. Помимо чисто практических приемов программирования вычислительных задач в кодах машины М-2, они занимались программированием игровых задач, задач распознавания и диагностики. Результаты этих исследований привели к разработке оригинальных методов перебора, в частности метода ветвей и границ, построения справочных систем с логарифмическими записью и поиском и т. д.

Главный конструктор – М.А. Карцев.

Основные разработчики – Т.М. Александриди, Ю.А. Лавренюк, А.Б. Залкинд, В.В. Белынский, В.Д. Князев, Л.С. Легезо, Г.И. Танетов.

Малогабаритная электронная вычислительная машина М–3

М-3 была разработана в 1957 году в Лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР И.С. Брука.

В М-3 реализована концепция малогабаритной вычислительной машины, сформулированная И.С. Бруком. Это позволяло применять М-3 в научно-исследовательских организациях и конструкторских бюро без оборудования специальных помещений. Так, требуемая площадь для установки М-3 составляла 3 кв. м, а для машины «Урал» со сходными возможностями требовалась площадь около 60 кв.м.

В отличие от синхронного принципа управления в М-3 последовательность работы отдельных блоков и устройств определялась их взаимодействием типа приказ-ответ. Переход к выполнению следующего элементарного действия происходил только после того, как был получен сигнал об окончании выполнения предыдущего действия. Асинхронный принцип работы устройства управления обеспечивал в значительной степени независимость работы отдельных устройств машины, что облегчало её наладку и эксплуатацию.

Источник Источник https://wiki.fenix.help/informatika/pokoleniya-evm
Источник Источник https://computer-museum.ru/articles/pervie_evm/984/