Эволюция ПК: от момента создания до массового производства
Представить современную жизнь без компьютера сегодня просто невозможно. Всего каких-то 10-12 лет назад «чудо» современной электроники могли себе позволить далеко не все. Мы собирается проследить эволюционное развитие персональных компьютеров, а также обозначить ключевые этапы перехода ПК из разряда «кому средства позволяют» в категорию «общедоступно». В историческом развитии компьютерной техники отмечают всего восемь имен людей, внесших наибольший вклад в основные эволюционные этапы производства ПК. За несколько десятков лет электроника не только обогнала, но и во многом вытеснила механику . Не просто эволюционные, а революционные шаги были предприняты для того, чтобы за менее, чем столетие общество так «пристрастилось» к компьютерам.
Вместо предисловия
Пожалуй, представить современную жизнь без компьютера сегодня просто невозможно. А всего десяток лет назад «чудо» современной электроники могли себе позволить далеко не все. Помню, как приходилось сидеть в библиотеке над книгами, переписывая нужное в конспект. А эти жуткие рефераты от руки, мозоль на среднем пальце правой кисти…
В отличие от немецкого компьютера, где основу составляли реле, в ЭНИАК большую часть элементов представляли вакуумные лампы. Это был настоящий монстр, стоимостью почти в 500 тысяч долларов, занимающий целую комнату. Устройство весило 27 тонн, общее число комплектующих: около 17,5 тысяч ламп различных типов, 7,2 тысячи кремниевых диодов, 1,5 тысячи реле, 70 тысяч резисторов и 10 тысяч конденсаторов. Машине требовалось энергоснабжение в 174 кВт. Вычислительная мощность – 357 операций умножения или 5 тысяч операций сложения в секунду. Основы вычисления – десятичная система исчисления. Компьютер легко работал с числами длиной в 20 разрядов.
Несмотря на свои вычислительные превосходства, ЭНИАК имел кучу недостатков. Например, если сгорала хотя бы одна лампа, из строя выходил полностью весь компьютер. Длительным также был и сам процесс программирования компьютера: на решение задачи уходило несколько минут, когда как ввод данных мог занимать несколько дней.
ЭНИАК так и не получил широкое распространение, устройство было произведено в единичном экземпляре и в дальнейшем нигде не применялось. Но некоторые принципы, которые были основаны при конструированы ЭНИАК, впоследствии нашли свое отображение в более усовершенствованных моделях электронно-вычислительной техники.
«Сделано в СССР»
В 1951 году на территории Украинской ССР создается малая электронная счетная машина – МЭСМ . В ней было 6 тысяч электронных ламп, она еле уместилась в левом крыле здания общежития бывшего монастырского поселка Феофания (в 10 км от Киева). МЭСМ создана в лаборатории вычислительной техники Института электротехники АН УССР под руководством академика С.А. Лебедева.
Мысли о создании вычислительной машины сверхспособностей у Лебедева появились еще в 30-х годах, когда молодой ученый занимался исследованиями по устойчивости энергосистем. Но войны, разразившиеся в 40-х, заставили на время забросить все начинания.
В 1948 году Лебедев вместе с группой инженеров переезжает в Феофанию (одно из отделений ИЭ АН УССР) и начинает трехлетнюю работу над реализацией секретного проекта по созданию первой отечественной ЭВМ.
«Машина занимала комнату площадью в 60 квадратных метров. Работала МЭСМ с небывалой по тем временам скоростью – 3 тысячи операций в минуту (современные компьютеры производят миллионы операций в секунду) и могла производить операции по вычитанию, сложению, умножению, делению, сдвигам, сравнению с учетом знака, сравнению по абсолютной величине, передачи управления, передачи чисел с магнитного барабана, сложению команд. Общая мощность электронных ламп – 25 кВт».
После ряда испытаний, С.А. Лебедев доказал, что его машина «умнее человека». Далее следовала череда публичных демонстраций и заключение экспертной комиссии о введении МЭСМ в эксплуатацию (декабрь 1951 года).
МЭСМ была практически единственной в стране ЭВМ, на которой решались разнообразные научно-технические задачи из области термоядерных процессов, космических полетов и ракетной техники, дальних линий электропередач, механики, статистического контроля качества. Одной из важнейших задач, решенных на МЭСМ, были расчеты устойчивости параллельной работы агрегатов Куйбышевской гидроэлектростанции, определяемые системой нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка. Нужно было определить условия, при которых максимально возможная мощность может передаваться в Москву без нарушения устойчивости системы. В связи с быстрым развитием реактивной и ракетной техники, перед машиной ставились задачи по расчетам внешней баллистики различной сложности, начиная от относительно простых многовариантных расчетов траекторий, проходящих в пределах земной атмосферы при незначительном перепаде высот до весьма сложных, связанных с полетом объектов за пределами земной атмосферы .
МЭСМ использовали во многих научно-исследовательских работах аж до 1957 года, после чего машину демонтировали и разобрали на части. Оборудование было доставлено в Киевский политехнический институт для проведения лабораторных работ.
Первые компьютеры с возможность хранения данных
Как уже упоминалось ранее, некоторые из первых электронно-вычислительных систем стали прототипами для создания более усовершенствованных компьютеризированных устройств. Главная задача разработчиков новых компьютеров была связана с наделением машин возможностью хранить обрабатываемые и полученный данные в электронной памяти .
Ода из таких машин называется «Манчестерское дитя» (The Manchester Baby). В 1948 году в Университете Манчестера (Великобритания) было разработано, а через год введено в эксплуатацию, электронно-вычислительное компьютерное устройство, способное сохранять данные во внутренней оперативной памяти. Манчестерский «Марк 1» стал усовершенствованной версией компьютера Неймана .
Устройство могло не только считывать информацию с перфолент , но и имело возможность ввода-вывода данных с магнитного барабана прямо во время работы программы. «Запоминающая» система представляла собой цепь электронно-лучевых трубок Уильямса (патентная разработка 1946 года).
«Манчестерское дитя» имело совсем «не детские» габариты: 17 м в длину. Систему представляли 75 тысяч электронных ламп, 3 тысячи механических реле, 4 трубки Уильямса (память компьютера 96 40-битных слов), магнитный барабан (1024-4096 40-битных слов), процессор на 30 инструкций и система аккумуляторных батарей. На самые простые математические действия машине требовалось от 3 до 12 секунд.
В 1951 году «Дитя» было утилизировано, а на его место «взошел» полноценный коммерческий компьютер Ferranti Mark 1.
Приблизительно в этот же период в Кембридже (Великобритания) группа инженеров под руководством Мориса Уилкса создает компьютер с хранимой в памяти программой – EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer). Это устройство становится первым широко применяемым электронно-вычислительным устройством с возможностями внутренней памяти .
В компьютере использовались почти 3 тысячи электронных ламп. Основная память компьютера – 1024 ячеек памяти: 32 ртутных ультразвуковых линий задержки (РУЛЗ), каждая из которых хранила 32 слова по 17 бит, включая бит знака. Была возможность включить дополнительные линии задержки, что позволяло работать со словами в 35 двоичных разрядов. Вычисления производились в двоичной системе со скоростью от 100 до 15 тысяч операций в секунду. Потребляемая мощность - 12 кВт, площадь занимаемой поверхности - 20 квадратных метров.
В 1953 году под руководством Уилкса и Ренвика началась работа над второй моделью ЭВМ – EDSAC-2. В качестве ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) уже использовались элементы на ферритовых сердечниках, общей емкостью в 1024 слова. В новой машине появилось ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - сначала на диодной, а затем на ферритовой матрице. Но главным новшеством было использование микропрограммного управления: некоторые из команд можно было составлять из набора микроопераций; микропрограммы записывались в постоянной памяти. Этот компьютер использовался вплоть до 1965 года.
«Транзисторная» история
Начало эры компьютеров «для жизни» связывают с той же IBM. После смены руководства в 1956 году компания меняет и производственный вектор. В 1957 году IBM вводит в обиход язык FORTRAN («FORmula TRANslation»), применявшийся для научных вычислений. В 1959 году появились первые компьютеры IBM на транзисторах, достигшие такого уровня надёжности и быстродействия, что стали использоваться военными в системах раннего оповещения ПВО. В 1964 году было представлено целое семейство IBM System/360. Они стали: первым спроектированным семейством компьютеров, первыми универсальными компьютерами, первыми компьютерами с байтовой адресацией памяти (на этом перечисление первенства не заканчивается). Совместимые с System/360 компьютеры IBM System z выпускаются до сих пор, это абсолютный рекорд совместимости.
Эволюционное развитие компьютерной техники предусматривало: уменьшение габаритов, переход на более совершенные комплектующие, увеличение вычислительной мощности, увеличение объемов оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства, возможность повсеместного применения в различных отраслях, а также возможность персонализации компьютера.
В 50-60-х годах ХХ столетия на замену ламповым пришли транзисторные компьютеры. В качестве основного элемента использованы полупроводниковые диоды и транзисторы, в качестве устройств памяти – магнитные сердечники и магнитные барабаны (далекие предки современных жестких дисков). Второе отличие этих ЭВМ: появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Были разработаны первые языки высокого уровня (Фортран, Алгол , Кобол). Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров. Программирование, оставаясь наукой, становится более прикладным. Все это привело к уменьшению габаритов и существенному снижению стоимости компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.
Производственная мощность этих компьютеров – до 30 тысяч операций в секунду. Объем оперативной памяти – 32 Кб. Большие преимущества – уменьшение габаритов и снижение расхода потребляемой энергии. Программирование транзисторных компьютеров становится основой для появления так называемых «операционных систем». Работать с устройством становиться легче, что под силу не только ученым, но уже и менее «продвинутым» пользователям. Компьютерное оснащение появляется на производствах, в офисах (в основном, в бухгалтерии).
Среди транзисторных электронно-вычислительных устройств этого периода самые известные:
Начало 50-х годов. Самая мощная ЭВМ в Европе – советская М-20 со средним быстродействием 20 тысяч 3-адресных команд в секунду над 45-разрядными числами с плавающей запятой; ее оперативная память реализовалась на ферритовых сердечниках и имела объем 4096 слов.
1954-1957 года. Фирма NCR (США) производит первый компьютер на транзисторах –NCR-304;
1955 год. Транзисторный компьютер фирмы «Bell Telephone Laboratories» – TRADIS – содержит 800 отдельных транзисторных элементов;
1958 год. Корпорация NEC разрабатывает первый японский компьютер NEC-1101 и 1102;
Заметим, что это не единственные представители «транзисторной» истории в эволюции компьютеров. В этот период разработки велись в Массачусетском технологическом институте (США), во многих научно-технических лабораториях по всему Советскому Союзу, в ведущих европейских научно-исследовательских и технологических высших школах.
Микрочипы и серийное производство
Всего несколько лет понадобилось разработчикам, чтобы произвести компьютер с новыми комплектующими. Как транзисторы пришли на смену электронным лампам (а те заменили механические реле), так и микросхемы заняли свою эволюционную ячейку. Конец 60-х годов ХХ столетия приносит ЭВМ следующие метаморфозы: разработаны интегральные схемы, состоящие из цепочки транзисторов, объединенных под одним полупроводником; появляется полупроводниковая память, которая становиться основным элементом оперативной памяти компьютера; освоен метод одномоментного программирования нескольких задач (принцип диалогового режима); центральный процессор может параллельно работать и управлять различными периферийными устройствами; открывается возможность удаленного доступа к данным компьютера.
Как раз в этот период появляется «знаменитое» семейство компьютеров IBM. Производство электронно-вычислительной техники становится на конвейер, налаживается серийное производство компьютеризированного оборудования.
Конечно же, здесь стоит больше сказать об IBM System/360 (S/360). В 1964 году компания выпускает серию компьютеров разных размеров и функциональности. В зависимости от требований, на производстве можно одинаково использовать как малые машины с низкой производительностью, так и большие – с более высокими производственными показателями. Все машины работают на аналогичном программном обеспечении, поэтому, если приходится заменять маломощное устройство более подвинутым, то не требуется переписывать основную программу. Для обеспечения совместимости IBM впервые применяет технологию микрокода, который используется во всех моделях серии, кроме самых старших. Эта серия компьютеров становится первой производной, когда ведется четкое разграничение между архитектурой и реализацией компьютера.
S/360 обошлась компании в 5 миллиардов долларов США (это колоссальные затраты по меркам 1964 года). Но данная система все равно не становится самым дорогим производством, первенство остается за проектом НИОКР. Модель 360 сменяют 370, 390 и System z, но архитектура компьютера в них сохраняется. На основе S/360 другие компании выпускают собственные модельные серии, например, семейство 470 фирмы Amdahl, мейнфреймы Hitachi, UNIVAC 9200/9300/940, советские машины серии ЕС ЭВМ и др.
Благодаря широкому распространению IBM/360, изобретённые для неё 8-битные символы и 8-битный байт как минимально адресуемая ячейка памяти стали стандартом для всей компьютерной техники. Также IBM/360 была первой 32-разрядной компьютерной системой. Старшие модели семейства IBM/360 и последовавшее за ними семейство IBM/370 были одними из первых компьютеров с виртуальной памятью и первыми серийными компьютерами, поддерживающими реализацию виртуальных машин . В семействе IBM/360 впервые был использован микрокод для реализации отдельных команд процессора.
Но у некоторых микропроцессорных систем был один недостаток – низкое качество комплектующих. Особенно ярко это выражалось у советских электронно-вычислительных аппаратов. Они продолжали иметь значительные габариты и отставали в функциональности от западных разработок. Чтобы устранить это, отечественным конструкторам приходилось проектировать спецпроцессоры для выполнения частных задач (что исключало возможность мультипрограммирования).
В этот период также появляются первые миникомпьютеры (прототипы современных компьютеров). Самое главное, что произошло с ПК в конце 60-х – начале 70-х, это переход от большого количества элементов к использованию одной детальки, совмещающей все необходимые комплектующие. Микропроцессоры – сердце любого компьютера. Их появлением общество обязано компании Intel. Именно ей принадлежит первый микрочип, который стал поистине революционным и эволюционным скачком для компьютерной техники.
Наряду со стремительным усовершенствованием технического оснащения, электронно-вычислительные системы начинают объединять в локальные и глобальные компьютерные сети (прообраз Интернет). Усовершенствуется язык программирования , пишутся более продвинутые ОС.
Суперкомпьютеры и персональная портативная электроника
Семидесятые-восьмидесятые становятся основным периодом массового производства компьютеров общего потребления. Значительных инноваций в этот период не наблюдалось. Электронно-вычислительна техника делится на два лагеря: супермашины с неимоверными вычислительными возможностями и более персонализированные системы. Элементной базой этих систем становятся большие интегральные схемы (БИС), где в одном кристалле размещается больше тысячи элементов. Мощность таких компьютеров – десятки миллионов операций в секунду, увеличивается объем оперативной памяти до нескольких сотен мегабайт.
Компьютеризированные системы вычислений, применяемые на производстве, остаются комплексными, но массовое лидерство переходит к персональным компьютерам. Именно в этот период термин «электронно-вычислительная машина » заменяется на привычный нашему слуху термин «компьютер».
Эра персональных компьютеров начинается с Apple, IBM-PC (XT, AT, PS /2), «Искра», «Электроника», «ЕС-1840», «ЕС-1841» и других. Данные системы по функциональности уступают суперкомпьютерам, но ввиду потребительского назначения ПК прочно утверждается на рынке: устройство становиться общедоступным, появляется ряд новшеств, упрощающих работу с устройством (графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети).
После выпуска микропроцессоров Intel 4004 и Intel 8008, технология была подхвачена другими компаниями: МП выпускались как на основе проекта Intel, так и собственных модификаций.
Вот здесь-то и появляется на арене молодая фирма Apple Computer Company Стива Джобса и Стива Возняка со своим первым персональным продуктом – компьютером Apple-1. Разработкой амбициозных предпринимателей заинтересовались не многие. Заказ на партию компьютеров Apple-1 поступил только один: Пол Террелл, владелец компьютерного магазина Byte, заказывает поставку из 50 единиц товара. Но условия следующие: это должны быть не просто компьютерные платы, а абсолютно укомплектованные машины. Преодолевая трудности с финансированием производства, фирма Apple Computer, все-таки, успевает выполнить обязательства в срок, и Apple-1 появляется на прилавках магазина Террелла. Правда без «боекомплекта», а только в виде платы, но Террелл соглашается на поставку и выплачивает обещанные 500 долларов за единицу товара.
Заметим, что большинство ПК того времени поставлялись как отдельные комплектующие, сборкой которых занимались дистрибьюторы или конечные покупатели.
Итак, в 1976 году Apple-1 поступает в продажу по цене 666,66 долларов за штуку. Apple I был полностью собран на монтажной плате, содержащей около 30 микросхем, за что и считается многими первым полноценным ПК. Но для получения рабочего компьютера пользователи должны были добавить к нему корпус, источник питания, клавиатуру и монитор. Дополнительная плата, выпущенная позже по цене в 75 долларов, обеспечивала связь с кассетным магнитофоном для хранения данных.
Многие эксперты не считают компьютер Apple первым персональным электронным устройством, а называют таковым микрокомпьютер «Альтаир 8800 », который был создан Эдом Роберсом и распространялся через каталоги в 1974-1975 годах. Но на самом деле данный аппарат не отвечал всем пользовательским требованиям.
Фирма продолжает производство, и в продажу поступает обновленная модель Apple II. Эта серия ПК была оснащена процессором MOS Technology 6502 на тактовой частоте 1 МГц, 4 КБ ОЗУ (расширяемыми до 48 КБ), 4 КБ ПЗУ, в комплекте шел монитор и интерпретатор Integer BASIC, а также интерфейс для подключения кассетного магнитофона. Apple II становится самым массово продаваем устройством на рынке электротехники (за годы производства было продано более 5 миллионов единиц данного товара). Apple II больше походил на офисный инструмент, чем на элемент электронного оборудования. Это был полноценный компьютер, который подходит для домашней обстановки, стола менеджера или школьного класса.
Для подключения монитора (либо телевизора) использовался композитный видеовыход в формате NTSC. В компьютерах, продаваемых в Европе, использовался дополнительный кодер PAL, размещённый на плате расширения. Звук обеспечивался динамиком, управляемым через регистр в памяти (использовался 1 бит). Компьютер имел 8 разъёмов расширения, 1 из которых позволял подключить дополнительное ОЗУ, остальные же использовались для обеспечения ввода-вывода (последовательные и параллельные порты, контроллеры внешних устройств). Начальная розничная цена компьютера составляла 1298-2638 долларов за модельную модификацию.
Apple II обзаводится семейством и до начала 90-х сохраняет свое лидерство на рынке компьютерной техники.
Общий стандарт ПК
В конце 1980 года компания IBM принимает решение произвести собственный ПК. Поставка микропроцессоров для будущих моделей IBM PC доверяется компании Intel, а под основную ОС принимается проект «недоучки» из Гарварда Била Гейтса – операционная система PC-DOS .
Компания не только задает производственные темпы, но и устанавливает собственные стандарты на производство компьютеров. Каждый производитель ПК мог приобрести лицензию у IBM и собирать аналогичные компьютеры, а производители микропроцессоров – изготавливать элементы для них (сохранить собственную архитектуру удалось, по сути, только Apple). Так появляется модель IBM PC XT с жестким диском. Следом за ним – IBM PC AT, построенный на основе МП 80286.
1985 год ознаменован выпуском высокопроизводительных ПК, Intel и Motorola совместно производят микропроцессоры 80386 и М68020. Из года в год компьютерные модификации усовершенствуются, постоянно на слуху имена IBM, Intel. Новые микропроцессоры достигают неимоверных мощностей обработки данных – до 50 миллионов операций в секунду. В 1993 году компания Intel выпускает МП Р5 «Pentium» с 64-разрядной архитектурой, за которым следуют модели 2, 3. «Pentium 4» уже оснащен технологией НТ, что позволяет обрабатывать информацию по 2-м параллельным потокам.
Компьютеры усовершенствуются во всем: уменьшается расход энергии, уменьшаются габариты, зато колоссально возрастает вычислительная мощь, увеличивается объем оперативной памяти (до 4 гигабайт), объемы жестких дисков исчисляются в терабайтах.
Практически все произведенные в мире компьютеры переходят на новую «оконную» операционную систему MicroSoft «Windows» и офисные приложения MS-Office. Так определяются компьютерные стандарты персонального компьютера: архитектура IBM PC и ОС Windows.
Что касается размеров ПК, то на ряду со стационарными компьютерами, производится портативная переносная электроника: ноутбуки, нэтбуки , затем планшеты и смартфоны (телефон-компьютер).
Вместо послесловия
За несколько десятилетий персональные компьютеры от электронных «счетных машинок» перешли в разряд повседневно используемого оборудования. Теперь ПК – это не просто электронно-вычислительное устройство. Это целая индустрия знаний, развлечений, работы, обучения и прочих потребительских возможностей.
Михаил Полюхович
