История, современное состояние и перспективы развития вычислительной техники
Современные информационные технологии– это совокупность методов, производственных процессов и программно-технических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, регистрацию, обработку, накопление, хранение, отображение, поиск, анализ, защиту и распространение информации. В основе современных информационных технологий лежит вычислительная техника.
Вычислительная техника (ВТ) ‑ совокупность технических и математических средств, используемых для механизации и автоматизации математических вычислений и обработки информации. В своем развитии вычислительная техника прошла за сравнительно короткий срок достаточно большой путь от замысла до воплощения в реальные машины. В развитии вычислительной техники принято выделять ряд этапов:
— ручной (до XVII века) ;
— механический (с середины XVII века);
— электромеханический (с 90–х годов XIX века);
— электронный (с 40-х годов XX века).
Впервые счетные устройства, называемые абак, появились, вероятно, в Древнем Вавилоне 3 тыс. лет до н. э. Первоначально это устройство представляло собой доску, разграфлённую на полосы или со сделанными углублениями. Счётные метки (камешки, косточки) передвигались по линиям или углублениям. В 5 в. до н. э. в Египте вместо линий и углублений стали использовать палочки и проволоку с нанизанными камешками.
В 1623 году Вильгельм Шиккард придумал «Считающие часы» — первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. Считающими часами устройство было названо потому, что как и в настоящих часах работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок.
В 1642 году Блезом Паскалем, французским учёным, в честь которого в наше время назван один из языков программирования, была сконструирована счётная машина, которая могла выполнять операции сложения и вычитания. Она представляла собой механическую конструкцию с шестерёнками и ручным приводом. Через тридцать лет, немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления.
В 1822 году Чарльз Бэббидж, профессор математики Кембриджского Университета, разработал и сконструировал аналитическую машину, которая, как и машина Паскаля, могла лишь складывать и вычитать. Поскольку аналитическая машина программировалась на элементарном ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение. Созданием программного обеспечения занималась Ада Лавлейс. Таким образом, Ада Лавлейс стала первым в мире программистом. В её честь назван современный язык программирования — Ada.
Работы по созданию отдельных элементов и узлов ЭВМ были начаты в 1937 г. в США Дж. Атанасовым. В 1942 г. им совместно с К. Берри была построена электронная машина ABC. Первая ЭВМ полностью на электрон ?? ных лампах была названа ENIAC.
В 1944 году немецкий инженер Конрад Цузе создал первую модель компьютера, которую сегодня многие считают первым реально действовавшим программируемым компьютером. В этом же году компьютер под названием «Mark I» разработал учёный из Гарварда — Говард Айкен. Его компьютер имел 72 слова по 23 десятичных разряда каждое и мог выполнить любую команду за 6 секунд. В устройствах ввода-вывода использовалась перфолента.
В 1947 году под руководством С.А. Лебедева были начаты работы по созданию малой электронной счетной машины (МЭСМ). Эта ЭВМ была запущена в эксплуатацию в 1951 году и стала первой ЭВМ в СССР и континентальной Европе.
Новые возможности по созданию вычислительной техники открылись с появлением электронных ламп и последующим бурным развитием электроники. Это новый период развития вычислительной техники делится на этапы, непосредственно связанные с уровнем развития элементной базы электронной техники, конструктивно-технологическим исполнением, логической организацией, математическим обеспечением, удобством общения человека с машиной. Смена поколений электронно-вычислительных машин (ЭВМ) происходила революционно, ? ей сопутствовало изменение технико-экономических показателей этих машин: быстродействие, надежность, потребляемая мощность, стоимость, габариты.
В настоящее время выделяют шесть этапов в развитии электронно-вычислительной техники, связанных с развитием элементной базы и промышленных технологий:
— ЭВМ на электронных лампах (1944–1956 гг.);
— ЭВМ на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы и ферромагнитные ячейки памяти) (1956–1964 гг.);
— ЭВМ на интегральных элементах малой плотности (1964–1971 гг.);
— ЭВМ на микропроцессорных элементах (1971–1990 гг.);
— ЭВМ на сверхбольших ИС и многопроцессорные системы (с 1990 по настоящее время);
— ЭВМ на новой элементной базе и новых принципах работы (настоящее и будущее).
Появлению первых ЭВМ предшествовали такие фундаментальные изобретения, как электронная лампа (1879), триод (1913). Триод, в отличие от двух электродной лампы, имеет еще один электрод – сетку. Благодаря наличию этого электрода появилась возможность управлять потоком электронов в лампе и создавать на их основе элементы памяти. Работы по созданию отдельных элементов и узлов ЭВМ были начаты в 1937 г. в США Дж. Атанасовым. В 1942 г. им совместно с К. Берри была построена электронная машина ABC. Первая ЭВМ полностью на электрон ?? ных лампах была названа ENIAC. Она была изобретена Эккертом и Маучли и создана в США в 1946 году.
На этапах с первого по третий большой вклад в развитие вычислительной техники внесли советские ученые: С. А. Лебедев, И. С. Брук. Под их руководством были созданы ЭВМ первого поколения МЭСМ – 1951 год (малая электронная счетная машина), БЭСМ – 1952–1953 гг. (большая электронная счетная машина). К машинам первого поколения можно отнести МЭСМ, БЭСМ, М-1, М-2, М-3, «Стрела», «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», «Урал-3»,М-20, «Сетунь», БЭСМ-2, «Раздан». ЭВМ «Сетунь» была построена в 1953 году Н. П. Бруснецовым.
В начале нового столетия наметился определенный сдвиг в разви-
тии собственной элементной базы. В России в середине 2001 года был введен в строй 768-процессорный суперкомпьютер МВС-1000М, обеспечивавший производительность в 1 Терафлоп. После этого Россия вышла на третье место в мире по мощности производимых суперкомпьютеров. В последующие годы совместными усилиями российских и белорусских ученых создан ряд СуперЭВМ серии СКИФ, входящих в первую сотню мирового рейтинга компьютеров по производительности. Самый мощный в России, СНГ и Восточной Европе суперкомпьютер «СКИФ МГУ» занимает 22-е место в миро-
вом рейтинге суперкомпьютеров TOP-500. Пиковая производительность суперкомпьютера «СКИФ МГУ» составляет 60 триллионов операций в секунду (60 Терафлоп).
ЭВМ пятого поколения не связаны с изменением элементной базы. В основу периодизации здесь для отличия их от ЭВМ четвертого поколения положены особенности архитектуры и организация вычислительного процесса. ЭВМ пятого поколения характеризуются наличием сверхсложных микропроцессоров с параллельновекторной структурой, а также СуперЭВМ, содержащих в своей структуре сотни параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные
сетевые компьютерные системы.
Современный этап развития ЭВМ можно охарактеризовать как этап развития машинного интеллекта. Вычислительные системы будущего будут ориентированы на обработку знаний и должны располагать развитыми возможностями логического вывода. Важнейшая черта их должна состоять в том, чтобы используемый интерфейс был непосредственно рассчитан на человека. Главными особенностями машин будущего будут речевой ввод-вывод информации и самообучаемость. Технический базис ее должна составить развивающаяся технология сверхбольших интегральных схем, создание памяти повышенного объема, возрастающие возможности высокоскоростных элементов.
Основу архитектуры должны составить системы с распределительными функциями, сетевая архитектура, машина базы данных, быстродействующая машина для численных расчетов, высокоуровневая система человеко-машинного общения. Основными системами программного обеспечения должны стать системы управления базами знаний, системы решения проблем и логического вывода, системы интеллектуального интерфейса.
Основными прикладными системами могут стать системы машинного перевода, вопросно-ответная система, прикладные системы понимания речи, изображений, рисунков, системы поддержки принятия решений.
Источник
Оглавление
Основные функциональные элементы современных вычислительных машин, или компьютеров (от английского слова compute вычислять, подсчитывать), выполнены на электронных приборах, поэтому их называют электронными вычислительными машинами, или сокращенно ЭВМ .
По способу представления информации вычислительные машины делят на три группы:
— аналоговые вычислительные машины (АВМ), в которых информация представляется в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных какими-либо физическими величинами;
— цифровые вычислительные машины (ЦВМ), в которых информация представляется в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дискретных значений какой-либо физической величины (цифр);
— гибридные вычислительные машины, в которых используются оба способа представления информации.
Каждый из этих способов представления информации имеет свои преимущества и недостатки. ЦВМ распространены более всего потому, что точность их результатов в принципе не зависит от точности, с которой они изготовлены. Этим объясняется и тот факт, что первое аналоговое вычислительное устройство – логарифмическая линейка – появилась только в XVII в., а самыми древними цифровыми средствами для облегчения вычислений были человеческая рука и камешки. Благодаря счету на пальцах возникли пятеричная и десятичная системы счисления .
Более поздними изобретениями для счета были бирки с зарубками и веревки с узелками. Первым устройством, специально предназначенным для вычислений, был простой абак, с которого и началось развитие вычислительной техники. Счет на абаке, известный уже в Древнем Египте и Древней Греции задолго до нашей эры, просуществовал вплоть до XVI- XVII вв., когда его заменили письменные вычисления. Заметим, что абак служил не столько для облегчения собственно вычислений, сколько для запоминания промежуточных результатов. Известно несколько разновидностей абака: греческий (египетский) абак в виде дощечки, на которой проводили линии и в получившиеся колонки клали камешки; римский абак, на котором камешки могли передвигаться по желобкам; китайский суан-пан и японский соробан с шариками, нанизанными на прутики; счетные таблицы, состоявшие из горизонтальных линий, соответствующих единицам, десяткам, сотням и т.д., и вертикальных, предназначенных для отдельных слагаемых и сомножителей; на эти линии выкладывались жетоны (до четырех). Русский абак – счеты появились в XVI-XVII вв., ими пользуются и в наши дни. Русские счеты стоят на особом месте среди разновидностей абака, так как они используют десятичную, а не пятеричную систему счисления , как все остальные абаки. Основная заслуга изобретателей абака состоит в создании позиционной системы представления чисел
История развития вычислительной техники.
Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были, вероятно, всем известные счётные палочки , которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счёту. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов. Такими приспособлениями, похоже, пользовались торговцы и счетоводы того времени.
Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: абак ( счёты ), логарифмическая линейка , арифмометр , компьютер . Несмотря на простоту ранних вычислительных устройств, опытный счетовод может получить результат при помощи простых счётов даже быстрее, чем нерасторопный владелец современного калькулятора. Естественно, производительность и скорость счёта современных вычислительных устройств уже давно превосходят возможности самого выдающегося расчётчика-человека.
Человечество научилось пользоваться простейшими счётными приспособлениями тысячи лет назад. Наиболее востребованной оказалась необходимость определять количество предметов, используемых в меновой торговле. Одним из самых простых решений было использование весового эквивалента меняемого предмета, что не требовало точного пересчёта количества его составляющих. Для этих целей использовались простейшие балансирные весы, которые стали одним из первых устройств для количественного определения массы.
Человечество научилось пользоваться простейшими счётными приспособлениями тысячи лет назад. Наиболее востребованной оказалась необходимость определять количество предметов, используемых в меновой торговле. Одним из самых простых решений было использование весового эквивалента меняемого предмета, что не требовало точного пересчёта количества его составляющих. Для этих целей использовались простейшие балансирные весы , которые стали одним из первых устройств для количественного определения массы.
Принцип эквивалентности широко использовался и в другом простейшем счётном устройстве — абаке, или счётах. Количество подсчитываемых предметов соответствовало числу передвинутых костяшек этого инструмента.
Сравнительно сложным приспособлением для счёта могли быть чётки, применяемые в практике многих религий. Верующий как на счётах отсчитывал на зёрнах чёток число произнесённых молитв, а при проходе полного круга чёток передвигал на отдельном хвостике особые зёрна-счётчики, означающие число отсчитанных кругов.
Звёздочки и шестерёнки были сердцем механических устройств для счёта.
С изобретением зубчатых колёс появились и гораздо более сложные устройства выполнения расчётов. Антикитерский механизм, обнаруженный в начале XX века, который был найден на месте крушения античного судна, затонувшего примерно в 65 году до н. э. (по другим источникам в 80 или даже 87 году до н. э.), даже умел моделировать движение планет. Предположительно его использовали для календарных вычислений в религиозных целях, предсказания солнечных и лунных затмений, определения времени посева и сбора урожая и т. п. Вычисления выполнялись за счёт соединения более 30 бронзовых колёс и нескольких циферблатов; для вычисления лунных фаз использовалась дифференциальная передача, изобретение которой исследователи долгое время относили не ранее чем к XVI веку. Впрочем, с уходом античности навыки создания таких устройств были позабыты; потребовалось около полутора тысяч лет, чтобы люди вновь научились создавать похожие по сложности механизмы.
Развитие современной вычислительной техники.
Развитие современной вычислительной техники открывает перед цифровыми графическими УО неограниченные возможности в отношении воспроизводимого на экране графического материала.
Главная тенденция в развитии современной вычислительной техники состоит в переходе к использованию распределенных систем, которые образованы из логических элементов с довольно простой внутренней структурой. Большие надежды здесь связывают с молекулярной микроэлектроникой. Разрабатываются методы массового химического синтеза таких молекулярных элементов и способы их соединения в сети на основе механизмов самосборки.
Весьма вероятно, что с развитием современной вычислительной техники будет понято, что в очень многих случаях разумно изучение реальных явлений вести, избегая промежуточный этап их стилизации в духе представлений математики бесконечного и непрерывного, переходя прямо к дискретным моделям. Особенно это относится к изучению сложно организованных систем, способных перерабатывать информацию. В наиболее развитых таких системах тяготение к дискретности работы вызвано достаточно разъясненными в настоящее время причинами. Является требующим объяснения парадоксом то обстоятельство, что человеческий мозг математика работает в существенном по дискретному принципу и тем не менее математику значительно доступнее интуитивное постижение, скажем, свойств геодезических на гладких поверхностях, чем могущих их приблизительно заменить свойств комбинаторных схем.
В последние десятилетия в связи с развитием современной вычислительной техники значительно выросли возможности применения матричного исчисления в различных областях естествознания, техники и экономики. Поэтому необходимо, чтобы более широкий круг читателей был знаком с вопросами матричного исчисления. Исходя из этого предлагаемая книга составлена таким образом, чтобы читатель мог самостоятельно выработать первоначальное представление о матричном исчислении. Она предназначена прежде всего для тех, кому приходится сталкиваться с матричным исчислением в рамках своей профессиональной деятельности.
Таким образом, адаптация становится решающим фактором коренного изменения направления развития современной вычислительной техники . Без нее просто невозможно решать задачи, выдвигаемые народнохозяйственной практикой.
Развитие современной вычислительной техники началось после того, как был введен новый принцип — принцип отделения структуры программ от структуры реализующих их деятельность физических устройств. Были созданы универсальные вычислительные машины, которые обеспечивали возможности реализации и функционирования программ разного типа.
Благодаря развитию современной вычислительной техники , в особенности мини — и микро — ЭВМ, а также появлению необходимых алгоритмов обработки сигналов, особенно быстрого преобразования Фурье, все больше распространяются методы измерения частотных характеристик при импульсном воздействии на механический объект. Импульсы вынуждающей силы и отклика подвергаются преобразованию Фурье, и по соотношению гармоник определяется нужная характеристика.
Они являются основным инструментом при проведении фундаментальных и прикладных физических исследований, основой развития современной вычислительной техники , радиоэлектроники, средств связи, автоматики и технической кибернетики, широко используются во многих отраслях народного хозяйства.
Вопрос о соответствии методов исследования и наших представлений возникает при прямом моделировании процессов в других науках: в физике, химии, биологии, а теперь и науках об обществе. К этому кругу вопросов сейчас привлечено все больше внимания, особенно в связи с развитием современной вычислительной техники и тех возможностей, которая она представляет. Действительно, в настоящее время моделирование стало обширной областью приложений математики, так и специализацией в прикладной математике. Более того, некоторые математики, подобные Джону фон Нейману, занимают в этом вопросе весьма прагматическую и, быть может, крайнюю позицию: Точные науки не объясняют. Они редко даже обсуждают явления и, в основном, предлагают модели. Под моделью подразумевают математическую конструкцию, которая описывают наблюдаемые явления.
Пожалуй, наиболее поразительным свойством человеческого интеллекта является способность принимать правильные решения в обстановке неполной и нечеткой информации. Построение моделей приближенных рассуждений человека и использование их в интеллектуальных компьютерных системах представляет сегодня одно из самых перспективных направлений развития современной вычислительной техники .
Развитие современной вычислительной техники опирается на достижения твердотельной технологии. А эти достижения в свою очередь теснейшим образом связаны с нашей способностью количественно определять следовые концентрации примесей в кремнии — основном материале, применяемом в производстве современных микросхем. Сейчас микрозондовые анализаторы, в которых используются методы компьютерной томографии, дают возможность решить эту ключевую проблему.
Эта дисциплина в данном учебном пособии рассматривается с позиций применения электронных схем в вычислительной технике, что сказалось на содержании и последовательности представленного материала. При изложении названного курса учитывалась тенденция развития современной вычислительной техники в направлении преимущественного использования полупроводниковых приборов и то, что современная электроника рассматривает теорию транзисторных схем как общий случай, а теорию ламповых схем — как частный случай.
В квантовой химии все виды внутримолекулярных взаимодействий рассматриваются с единых позиций. Природа любых сил взаимодействия считается электростатической. С учетом законов квантовой механики проводится расчет, позволяющий установить строение, устойчивость, энергию и другие параметры молекул. В настоящее время такие расчеты осуществлены лишь для наиболее простых молекул. Однако возможности квантово-химических расчетов с развитием современной вычислительной техники постоянно растут.
Источник