История цифровой вычислительной техники

1. Леонардо да Винчи (Италия) (1452-1519):
Эскизный набросок суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах для сложения 13-разрядных десятичных чисел (воспроизведен в металле фирмой IBM в наши дни, полностью работоспособен).
2. Вильгельм Шиккард (Германия), (1592-1636).
100 лет
Потребность в автоматизации вычислений для астронома И. Кепплера. Схема машины для сложения и умножения 6-разрядных десятичных чисел
3. Блез Паскаль (Франция) (1623-1662):
1641г.: Действующая суммирующая машина – «паскалина» (Паскаль ее сконструировал в 19-летнем возрасте). Разработана для помощи отцу в расчетах, нужных при сборе налогов. Суммирование и вычитание 6- и 8-разрядных десятичных чисел.
Эпоха механических вычислительных машин

4. Вильгельм Готтфрид Лейбниц (Германия) (1646-1716):
а). Арифметическая машина для сложения, вычитания, умножения и деления 12-разрядных десятичных чисел.
б). Исследование двоичной системы счисления (сохранилась медаль, нарисованная им в 1697г., с соотношениями перевода из десятичной в двоичную систему).
5. Жозеф Мари Жаккард (Франция) (1752-1834):
Изобретение перфокарты (1799 г.) как устройства для ввода данных (использовалась в изобретенном им ткацком станке для управления узорами на тканях).
6. Гаспар Прони (Франция) (1755-1839):
Разработка принципов организации (1795г.) работы вычислителей (почти без изменений используется и сегодня). Понадобилась для выполнения огромной работы по переходу к метрической системе.
Разделение труда математиков на три группы, соотношение численности 1: 3: 20:
1. Математики высшей квалификации: создание методов вычислений, в которых любая задача решалась на базе арифметических действий +, −, *, /. На современном языке такая работа называется АЛГОРИТМИЗИЦИЕЙ.
2. Математики средней квалификации: разработка последовательности действий для расчетов. На современном языке – ПРОГРАММИРОВАНИЕ.
3. Многочисленная неквалифицированная группа – проведение расчетов. На современном языке – ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОГРАММЫ

Переход к созданию вычислительной машины с ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ последовательностью арифметических операций
7. Чарльз Беббидж, Англия (1791-1871)
Проект аналитической машины, содержащей те же основные блоки, что и современная ЭВМ: 5 основных устройств
а). Арифметическое устройство.
б). Устройство памяти
в). Устройство управления.
г). Устройство ввода.
д). Устройство вывода.
Для арифметического устройства предполагалось использовать зубчатые колеса, устройство памяти – на 1000 15-разрядных регистрах по 5- колес в каждом, для программ – перфокарты. Время сложения двух 50-разрядных чисел 1с., умножения – 1 мин.
8. Ада Августа Лавлейс, Англия (1815-1852).
Программы для машины Беббиджа, поразительно сходные с программами для первых поколений ЭВМ
Заключение Комитета Британской научной ассоциации по машине Беббиджа, работа над которой была прервана смертью ученого: «Возможности аналитической машины простираются так далеко, что их можно сравнить только с пределами человеческих возможностей»

9. Джордж Буль, Англия (1815-1864)
Разработка алгебры логики (используется в современных ЭВМ и при создании алгоритмов, «булева алгебра»). Впервые была использована в 1936г. Клодом Шенноном (США), догадавшимся, что булеву алгебру можно эффективно использовать для операций с двоичными числами.
10. Конрад Цузе (Германия) (1910-1985).
Будучи студентом, начал работы по созданию ЭВМ в 1934г. Создание механической вычислительной машины, оперирующей ДВОИЧНОЙ системой счисления. Завершена в 1937г, Z1
Z1 занимала 2м2 на столе, работала с 22-мя двоичными разрядами.
Эпоха вычислительных машин на электрических реле
11. Конрад Цузе, Гельмут Шрайер
Релейные машины с программным управлением Z2, Z3. Идея отказа от телефонных реле, возможность использования электронных ламп

12. Говард Айкен (США) (1900-1973):
Разработка первой с США релейно-механической цифровой вычислительной машины МАРК-1. По возможностям – почти как Z3, но размеры: длина 17 м, высота 2,5м, вес 5т, 500 тыс. механических деталей. Машина за 1 день выполняла вычисления, которые вручную выполняются за полгода!
Первым в мире стал читать лекции (Гарвардский университет) по новому предмету, получившему название Computer Science (наука о компьютерах).
Эпоха электронных вычислительных машин
Огромная потребность в вычислениях в связи с Второй мировой войной (шифрование, таблицы стрельб для артиллерии, управление бомбометанием…)
13. Джон Мочли (США) (1907-1986) (физик из технической школы при Пенсильванском университете), Преспер Эккерт (1919-1995) (инженер-электронщик):
Первая в мире ЭЛЕКТРОННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА (ЭВМ), 1943
E N I A C = electronic numeric integrator and calculator = электронный цифровой интегратор и калькулятор
26 м в длину, 6 м в высоту, вес 35 т, ввод программы – с коммутационного поля.

14. Джон фон Нейман (США) (1904-1957), участник Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы, выдающийся математик. «Манифест фон Неймана»:
1946г.: 6 принципов построения цифровых ЭВМ, «неймановская структура ЭВМ»
1. ЭВМ должны работать в ДВОИЧНОЙ системе счисления (не в десятичной!)
2. Программа должна размещаться в одном из блоков ЭВМ – в запоминающем устройстве, обладающем большой емкостью и высокой скоростью выборки и записи команд для ЭВМ
3. Программа (так же, как и числа, с которыми оперирует ЭВМ), записывается в двоичном коде. По форме представления команды и числа – однотипны. В связи с этим:
а). Промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа.
Б). Числовая форма записи программы позволяет производить вычислительные операции над командами. Отсюда – возможность условных переходов и циклов.
4. Память ЭВМ должна быть устроена иерархически: сверхбыстрая, оперативная, внешняя память (чтобы согласовать скорость вычислений со скоростью работы памяти)
5. Арифметическое устройство ЭВМ реализует ТОЛЬКО операцию сложения. Создание электронных схем для выполнения других арифметических операций нецелесообразно.
6. В ЭВМ должен использоваться ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ принцип организации вычислений (одновременно по всем разрядам машинного слова).

Элементы современной истории вычислительной техники
Ванневар Буш (1890-1974) – царь науки.
Чтобы понять мир Билла Гейтса и Билла Клинтона, постарайтесь сначала понять Ванневара Буша (Майкл Шерри, историк технологий, США)
Организатор Манхеттенского проекта (1942: назван персоной, от которой зависит – выиграет США войну или проиграет). Организатор науки, ученый, инженер, преподаватель.
Тезисы, сформулированные в книге «Предел науки – бесконечность» (1945)
1. Правительство должно поддерживать фундаментальные исследования
2. Финансировать следует конкретных ученых, а не проекты.
3. Средства должны выделяться тем организациям, где исследования проводятся в обстановке открытости
4. Предпочтение следует отдавать университетам как наиболее открытым организациям
5. Необходимо финансировать наиболее перспективных исследователей – а потому поддерживать тех студентов, которые посвящают себя науке, вне зависимости от послужного списка и финансовых возможностей
6. Управление фундаментальными исследованиями должно быть сконцентрировано в одном гражданском агентстве, даже если они делаются в интересах министерства обороны
7. Исследования, проводимые в промышленных компаниях, ориентированы на создание конечных продуктов и поэтому не могут рассматриваться как фундаментальные

Даг Энгельбарт – преемник и последователь Ванневара Буша
1. Изобретатель мыши
2. Понимание компьютера как инструмента для расширения интеллектуальных возможностей человека. Объединение «человек-машина», в котором не нужно пытаться заменить человека машиной, а оставить за ЭВМ только нетворческие задачи.
3. Создание ряда программных и технических решений, которые сегодня можно признать классическими:
Редактирование текста в реальном времени.
Гипертекстовые ссылки
Телеконференция и электронная почта
Конфигурирование рабочего места в соответствии с потребностями пользователя
Мышь для указания позиции на экране
Многооконная система вывода информации на экран
Система подсказок (help)с контекстной привязкой
Мультимедиа
Архитектура клиент-сервер
Универсальный пользовательский интерфейс

Рождение сети Интернет
Винт Серф – «отец» Интернета.
«День рождения» сети 29.10.1969: произошло испытание сети ARPANet, соединившей первые 2 узла будущей глобальной сети (500 км, Стэндфордский университет – Калифорнийский университет)
Этапы:
1945-1960
Теоретические работы по интенсивному взаимодействию человека с машиной, появление первых интерактивных устройств и ЭВМ с режимом разделения времени
1961-1970
Разработка технических принципов коммутации пакетов, «блуждающих» по сети. Ввод в действие ARPANet
1971-1980
Число узлов ARPANet возросло до десятков, появилась электронная почта, прокладываются специальные кабельные соединения между узлами сети
1981-1990
Принят протокол обмена сообщениями в сети (TCP/IP), вводится система имен доменов сети, число хостов доходит до 100 000.
День программиста: 256-й день с начала года (первый день года имеет номер 0): в високосный год приходится на 12.09, а в обычной год – на 13.09

1997: опубликована книга профессора кафедры информатики университета штата Виржиния Джона Ли: КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПИОНЕРЫ
249 фамилий, из них только 2 из бывшего СССР: академики
Виктор Михайлович Глушков (теория глобальных вычислительных сетей) и Андрей Петрович Ершов (теория алгоритмов и программирования)
Прогресс в области вычислительной техники:
E N I A C, 1946
Микропроцессор Intel, 1977
Объем памяти: рост в 1000 раз
Размер: уменьшение в 30 000 раз
Надежность: увеличение в 1000 раз
Быстродействие: увеличение в 2000 раз
Стоимость 1 Мбайт памяти:
1983г.: 300$
1997г.: 0.21$
Стоимость ЭВМ:
Notebook 2000$
IBM-360 с теми же возможностями 20 лет назад: 10 млн $
Супер-ЭВМ CRAY: (разработка Сеймора Крея)
Скорость вычислений – почти ПЕТАФЛОП, т.е. тысяча триллионов операций с плавающей точкой в секунду.
Техническая база: 12 кластеров с 2048 процессоров в каждом. Емкость оперативной памяти 65,5 Терабайт = 1000 гигабайт = 1000000 мегабайт
Нужно было бы добавить сюда имя акад. Лебедева С.А., конструктора вычислительной техники, руководителя проекта по созданию ряда машин БЭСМ (больших электронных счетных машин), скорость вычислений в которых впервые в мире преодолела рубеж 1 млн операций в секунду

Что дальше?
Техническая база: баллистические транзисторы, время переключения которых – несколько фемптосекунд (10-15с, одна квадрильонная секунды,
Одноэлектронные транзисторы (1 бит информации представляется одним электроном, абсолютный предел интеграции транзисторов в чипе).
Голографическая память
(предел технических возможностей ЭВМ, создаваемых на базе электроники)
Два выхода:
1. Программный: объединение вычислительных мощностей ЭВМ, имеющихся у всех людей мира
WWG, World Wide Grid, всемирная широкая вычислительная сеть
2. Технический: переход к иной технической базе, не основанной на электронике
Квантовый компьютинг

Путь 2: техническая революция.
Основная идея: вместо кодирования 1/ 0 включением/отключением электрического сигнала переключать лазером направление спина атома. Единица кодирования qubit, quantum bit, квантовый бит, кубит
Ионная ловушка как квантовый процессор. Каждый ион (кубит) адресуется парой лазерных лучей.
Молекула (7 кубит), созданная в фирме IBM
Квантовый компьютинг

Квантовый компьютинг
13.02.2007: демонстрация квантового компьютера Orion (на 20 лет раньше, чем предсказывали ученые).
Одновременное осуществление 65 536 вычислительных потоков, практически неограниченная вычислительная мощность.
Проблема компьютерной безопасности. Система RSA-129 (разложение на простые множители 129-разрядного числа): взлом требует параллельной работы 1600 обычных мощных компьютеров в течение 8 месяцев. Если бы шифр основывался на 300-разрядном числе, то для взлома потребовалось бы 13 млрд лет (возраст вселенной). Квантовые компьютеры решают такую задачу за секунды.

Кремниевый квантовый чип с 16-ю кубитами
Квантовый компьютер
Электронные модули для связи с чипами
Квантовый компьютер работает при температуре 0,004°К (− 273,15°С), охлаждается жидким гелием, находится в Канаде