История вычислительной техники длиннее истории вычислительного оборудования и современных вычислительных технологий и включает в себя историю методов, предназначенных для работы с ручкой и бумагой или с помощью мела и грифельной доски, с использованием таблиц или без них.
Цифровые вычисления тесно связаны с представлением чисел . [1] Но задолго до того, как возникли такие абстракции , как число , существовали математические концепции, служащие целям цивилизации. Эти концепции подразумеваются в конкретных практиках, таких как:
В конце концов, концепция чисел стала достаточно конкретной и привычной для возникновения счета, иногда с напевной мнемоникой , чтобы научить других последовательности . Во всех известных человеческих языках, за исключением языка пираха , есть слова, по крайней мере, для цифр «один» и «два», и даже некоторые животные, такие как черный дрозд, могут различать удивительное количество предметов. [5]
Достижения в системе счисления и математической нотации в конечном итоге привели к открытию математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в квадрат, квадратный корень и т. д. В конце концов, операции были формализованы, и концепции об операциях стали достаточно понятны, чтобы их можно было сформулировать формально и даже доказать . См., например, алгоритм Евклида для нахождения наибольшего общего делителя двух чисел.
К Высокому Средневековью позиционная индо-арабская система счисления достигла Европы , что позволило систематически вычислять числа. В этот период представление вычисления на бумаге позволило вычислять математические выражения и табулировать математические функции , такие как квадратный корень и десятичный логарифм (для использования при умножении и делении), а также тригонометрические функции . Ко времени исследований Исаака Ньютона бумага или пергамент были важным вычислительным ресурсом , и даже в наше время исследователи, такие как Энрико Ферми, покрывали случайные клочки бумаги вычислениями, чтобы удовлетворить свое любопытство по поводу уравнения. [6] Даже в период программируемых калькуляторов Ричард Фейнман без колебаний вычислял любые шаги, которые переполняли память калькуляторов, вручную, просто чтобы узнать ответ; к 1976 году Фейнман купил калькулятор HP-25 с емкостью программы в 49 шагов; Если для решения дифференциального уравнения требовалось более 49 шагов, он мог просто продолжить вычисления вручную. [7]
Математические утверждения не обязательно должны быть только абстрактными; когда утверждение может быть проиллюстрировано реальными числами, числа могут быть переданы, и может возникнуть сообщество. Это позволяет повторять, проверять утверждения, которые являются отличительной чертой математики и науки. Такого рода утверждения существуют уже тысячи лет и во многих цивилизациях, как показано ниже:
Самый ранний известный инструмент для использования в вычислениях — шумерские абак , и считалось, что он был изобретен в Вавилоне около 2700–2300 гг. до н. э. Его первоначальный стиль использования — линии, нарисованные на песке галькой. [ необходима цитата ]
В 1050–771 гг . до н. э. в Древнем Китае была изобретена колесница, указывающая на юг . Это был первый известный зубчатый механизм, использующий дифференциальную передачу , которая позже использовалась в аналоговых компьютерах . Китайцы также изобрели более сложные счеты примерно во 2 веке до н. э., известные как китайские счеты . [ необходима цитата ]
В III веке до н. э. Архимед использовал механический принцип равновесия (см. Палимпсест Архимеда § Метод механических теорем ) для решения математических задач, таких как подсчет числа песчинок во Вселенной ( Счетчик песчинок ), что также требовало рекурсивной записи чисел (например, мириада мириада ).
Механизм Антикиферы считается самым ранним известным зубчатым вычислительным устройством. Он был разработан для расчета астрономических положений. Он был обнаружен в 1901 году в затонувшем корабле Антикифера у греческого острова Антикифера, между Киферой и Критом , и датируется примерно 100 годом до нашей эры. [8]
По словам Саймона Сингха , мусульманские математики также добились важных успехов в криптографии , таких как разработка криптоанализа и частотного анализа Алкиндусом . [9] [10] Программируемые машины также были изобретены мусульманскими инженерами , такими как автоматический флейтист братьев Бану Муса . [11 ]
В Средние века несколько европейских философов предприняли попытки создания аналоговых вычислительных устройств. Под влиянием арабов и схоластики философ с Майорки Рамон Луллий (1232–1315) посвятил большую часть своей жизни определению и проектированию нескольких логических машин , которые, объединяя простые и неоспоримые философские истины, могли производить все возможные знания. Эти машины на самом деле так и не были построены, поскольку они были скорее мысленным экспериментом по производству новых знаний систематическим образом; хотя они могли выполнять простые логические операции, им все равно требовался человек для интерпретации результатов. Более того, у них не было универсальной архитектуры, каждая машина служила только очень конкретным целям. Несмотря на это, работа Луллия оказала сильное влияние на Готфрида Лейбница (начало XVIII века), который развил его идеи дальше и построил несколько вычислительных инструментов с их помощью.
Вершину этой ранней эпохи механических вычислений можно увидеть в разностной машине и ее преемнице — аналитической машине, созданных Чарльзом Бэббиджем . Бэббидж так и не завершил постройку ни одной из машин, но в 2002 году Дорон Суэйд и группа других инженеров из Музея науки в Лондоне завершили разностную машину Бэббиджа, используя только материалы, которые были доступны в 1840-х годах. [12] Следуя детальному проекту Бэббиджа, они смогли построить работающую машину, что позволило историкам с некоторой уверенностью сказать, что если бы Бэббидж смог завершить свою разностную машину, она бы работала. [13] Дополнительно усовершенствованная аналитическая машина объединила концепции из его предыдущих работ и работ других, чтобы создать устройство, которое, если бы было построено так, как задумано, обладало бы многими свойствами современного электронного компьютера, такими как внутренняя «скретч-память», эквивалентная ОЗУ , множественные формы вывода, включая звонок, графопостроитель и простой принтер, а также программируемая «жесткая» память ввода-вывода из перфокарт , которые он мог изменять, а также считывать. Ключевым достижением, которым обладали устройства Бэббиджа по сравнению с теми, что были созданы до него, было то, что каждый компонент устройства был независим от остальной части машины, во многом как компоненты современного электронного компьютера. Это был фундаментальный сдвиг в мышлении; предыдущие вычислительные устройства служили только одной цели, но в лучшем случае должны были быть разобраны и перенастроены для решения новой задачи. Устройства Бэббиджа можно было перепрограммировать для решения новых задач путем ввода новых данных и действовать на основе предыдущих вычислений в той же серии инструкций. Ада Лавлейс продвинула эту концепцию на шаг дальше, создав программу для аналитической машины для вычисления чисел Бернулли , сложного вычисления, требующего рекурсивного алгоритма. Это считается первым примером настоящей компьютерной программы, серии инструкций, которые действуют на основе данных, не известных полностью, пока программа не запущена.
Вслед за Бэббиджем, хотя и не зная о его более ранней работе, Перси Ладгейт [14] [15] в 1909 году опубликовал вторую из двух единственных конструкций механических аналитических машин в истории. [16] Два других изобретателя, Леонардо Торрес Кеведо [17] и Ванневар Буш [18] , также провели последующие исследования, основанные на работе Бэббиджа. В своих «Очерках об автоматике» (1914) Торрес представил конструкцию электромеханической счетной машины и ввел идею арифметики с плавающей точкой . [19] [20] В 1920 году, чтобы отпраздновать 100-летие изобретения арифмометра , Торрес представил в Париже электромеханический арифмометр , арифметическое устройство, подключенное к удаленной пишущей машинке, на котором можно было печатать команды и автоматически распечатывать результаты. [21] [22] В статье Буша «Инструментальный анализ» (1936) обсуждалось использование существующих машин IBM для перфокарт для реализации проекта Бэббиджа. В том же году он начал проект «Быстрая арифметическая машина» для исследования проблем построения электронного цифрового компьютера.
Несколько примеров аналоговых вычислений сохранились до недавнего времени. Планиметр — это устройство, которое вычисляет интегралы, используя расстояние в качестве аналоговой величины. До 1980-х годов системы HVAC использовали воздух и как аналоговую величину, и как управляющий элемент. В отличие от современных цифровых компьютеров, аналоговые компьютеры не очень гибкие и их нужно перенастраивать (т. е. перепрограммировать) вручную, чтобы переключать их с работы над одной проблемой на другую. Аналоговые компьютеры имели преимущество перед ранними цифровыми компьютерами в том, что их можно было использовать для решения сложных задач с использованием поведенческих аналогов, в то время как самые ранние попытки создания цифровых компьютеров были весьма ограниченными.
Поскольку в ту эпоху компьютеры были редкостью, решения часто были жестко запрограммированы в бумажные формы , такие как номограммы [23], которые затем могли выдавать аналоговые решения этих задач, такие как распределение давлений и температур в системе отопления.
"Мозг" [компьютер] может однажды спуститься до нашего уровня [простых людей] и помочь нам с нашими расчетами подоходного налога и бухгалтерского учета. Но это лишь домыслы, и пока никаких признаков этого нет.
— Британская газета The Star в статье за июнь 1949 года о компьютере EDSAC , задолго до эры персональных компьютеров. [24]
В письме 1886 года Чарльз Сандерс Пирс описал, как логические операции могут выполняться с помощью электрических коммутационных схем. [25] В 1880-81 годах он показал, что одни только вентили ИЛИ-НЕ (или одни только вентили И-НЕ ) могут использоваться для воспроизведения функций всех других логических вентилей , но эта работа по этому вопросу не была опубликована до 1933 года. [26] Первое опубликованное доказательство было сделано Генри М. Шеффером в 1913 году, поэтому логическую операцию И-НЕ иногда называют штрихом Шеффера ; логическую операцию ИЛИ-НЕ иногда называют стрелкой Пирса . [27] Следовательно, эти вентили иногда называют универсальными логическими вентилями . [28]
В конце концов, электронные лампы заменили реле для логических операций. Модификация клапана Флеминга Ли Де Фореста в 1907 году может использоваться в качестве логического вентиля. Людвиг Витгенштейн представил версию 16-строчной таблицы истинности как предложение 5.101 Логико-философского трактата (1921). Вальтер Боте , изобретатель схемы совпадений , получил часть Нобелевской премии по физике 1954 года за первый современный электронный вентиль И в 1924 году. Конрад Цузе спроектировал и построил электромеханические логические вентили для своего компьютера Z1 (с 1935 по 1938 год).
Первая зафиксированная идея использования цифровой электроники для вычислений была изложена в статье 1931 года «Использование тиратронов для высокоскоростного автоматического подсчета физических явлений» CE Wynn-Williams . [29] С 1934 по 1936 год инженеры NEC Акира Накашима , Клод Шеннон и Виктор Шестаков опубликовали статьи, в которых представили теорию коммутационных схем , используя цифровую электронику для булевых алгебраических операций. [30] [31] [32] [33]
В 1936 году Алан Тьюринг опубликовал свою основополагающую работу «О вычислимых числах и их применении к проблеме Entscheidungsproblem» [34], в которой он смоделировал вычисления в терминах одномерной ленты хранения, что привело к идее универсальной машины Тьюринга и полных по Тьюрингу систем. [ необходима ссылка ]
Первый цифровой электронный компьютер был разработан в период с апреля 1936 года по июнь 1939 года в патентном отделе IBM в Эндикотте, штат Нью-Йорк, Артуром Хэлси Дикинсоном. [35] [36] [37] В этом компьютере IBM представила вычислительное устройство с клавиатурой, процессором и электронным выходом (дисплеем). Конкурентом IBM был цифровой электронный компьютер NCR3566, разработанный в NCR, Дейтоне, штат Огайо, Джозефом Дешем и Робертом Маммой в период с апреля 1939 года по август 1939 года. [38] [39] Машины IBM и NCR были десятичными, выполняющими сложение и вычитание в двоичном позиционном коде.
В декабре 1939 года Джон Атанасов и Клиффорд Берри завершили свою экспериментальную модель, чтобы доказать концепцию компьютера Атанасова–Берри (ABC), разработка которого началась в 1937 году. [40] Эта экспериментальная модель является двоичной, выполняет сложение и вычитание в восьмеричном двоичном коде и является первым двоичным цифровым электронным вычислительным устройством. Компьютер Атанасова–Берри был предназначен для решения систем линейных уравнений, хотя он не был программируемым. Компьютер так и не был по-настоящему завершен из-за ухода Атанасова из Университета штата Айова в 1942 году для работы в Военно-морских силах США. [41] [42] Многие люди приписывают ABC многие идеи, использованные в более поздних разработках в эпоху ранних электронных вычислений. [43]
Компьютер Z3 , созданный немецким изобретателем Конрадом Цузе в 1941 году, был первой программируемой, полностью автоматической вычислительной машиной, но он не был электронным.
Во время Второй мировой войны баллистические вычисления выполнялись женщинами, которых нанимали в качестве «компьютеров». Термин «компьютер» оставался тем, что относилось в основном к женщинам (теперь его называют «оператором») до 1945 года, после чего он принял современное определение машины, которое он имеет и в настоящее время. [44]
ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер) был первым электронным компьютером общего назначения, представленным публике в 1946 году. Он был полным по Тьюрингу, [45] цифровым и мог перепрограммироваться для решения полного спектра вычислительных задач. Женщины реализовали программирование для машин , таких как ENIAC, а мужчины создали аппаратное обеспечение. [44]
Manchester Baby был первым электронным компьютером с хранимой программой . Он был построен в Университете Виктории в Манчестере Фредериком К. Уильямсом , Томом Килберном и Джеффом Тутиллом и запустил свою первую программу 21 июня 1948 года. [46]
Уильям Шокли , Джон Бардин и Уолтер Браттейн из Bell Labs изобрели первый рабочий транзистор , точечный транзистор , в 1947 году, за которым последовал биполярный транзистор в 1948 году. [47] [48] В Манчестерском университете в 1953 году группа под руководством Тома Килберна спроектировала и построила первый транзисторный компьютер , названный транзисторным компьютером , — машину, использующую недавно разработанные транзисторы вместо ламп. [49] Первым транзисторным компьютером с хранимой программой был ETL Mark III, разработанный Японской электротехнической лабораторией [50] [51] [52] с 1954 [53] по 1956 год. [51] Однако ранние транзисторы с переходом были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить на основе массового производства , что ограничивало их ряд специализированных приложений. [54]
В 1954 году 95% находящихся в эксплуатации компьютеров использовались в инженерных и научных целях. [55]
Полевой транзистор металл-оксид-кремний ( MOSFET), также известный как МОП-транзистор, был изобретен в Bell Labs между 1955 и 1960 годами, [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и производить массово для широкого спектра применений. [54] MOSFET позволил создавать интегральные схемы высокой плотности . [63] [64] MOSFET является наиболее широко используемым транзистором в компьютерах, [65] [66] и является основным строительным блоком цифровой электроники . [67]
Интегральная схема МОП с кремниевым затвором была разработана Федерико Фаггином в Fairchild Semiconductor в 1968 году. [ 68] Это привело к разработке первого однокристального микропроцессора Intel 4004. [69] Intel 4004 разрабатывался как однокристальный микропроцессор с 1969 по 1970 год под руководством Федерико Фаггина, Марсиана Хоффа и Стэнли Мазора из Intel , а также Масатоши Шимы из Busicom. [70] Чип был в основном разработан и реализован Фаггином с его технологией МОП с кремниевым затвором. [69] Микропроцессор привел к микрокомпьютерной революции с разработкой микрокомпьютера , который позже будет назван персональным компьютером (ПК).
Большинство ранних микропроцессоров, таких как Intel 8008 и Intel 8080 , были 8-битными . Texas Instruments выпустила первый полностью 16-битный микропроцессор, процессор TMS9900 , в июне 1976 года. [71] Они использовали микропроцессор в компьютерах TI-99/4 и TI-99/4A .
1980-е годы принесли значительные достижения в области микропроцессоров, которые оказали большое влияние на области техники и других наук. Микропроцессор Motorola 68000 имел скорость обработки, которая намного превосходила другие микропроцессоры, используемые в то время. Из-за этого наличие нового, более быстрого микропроцессора позволило новым микрокомпьютерам , которые появились позже, быть более эффективными в объеме вычислений, которые они могли выполнять. Это было очевидно в выпуске Apple Lisa в 1983 году . Lisa был одним из первых персональных компьютеров с графическим пользовательским интерфейсом (GUI) , который продавался на коммерческой основе. Он работал на процессоре Motorola 68000 и использовал как два дисковода, так и жесткий диск на 5 МБ для хранения. Машина также имела 1 МБ ОЗУ , используемую для запуска программного обеспечения с диска без постоянного перечитывания диска. [72] После провала Lisa в плане продаж Apple выпустила свой первый компьютер Macintosh , все еще работающий на микропроцессоре Motorola 68000, но имеющий всего 128 КБ оперативной памяти, один дисковод и не имеющий жесткого диска, чтобы снизить цену.
В конце 1980-х и начале 1990-х годов компьютеры стали более полезными для личных и рабочих целей, таких как обработка текстов . [73] В 1989 году Apple выпустила Macintosh Portable , он весил 7,3 кг (16 фунтов) и был чрезвычайно дорогим, стоимостью 7300 долларов США. На момент запуска это был один из самых мощных доступных ноутбуков, но из-за цены и веса он не имел большого успеха и был снят с производства всего два года спустя. В том же году Intel представила суперкомпьютер Touchstone Delta , который имел 512 микропроцессоров. Это технологическое достижение было очень значительным, так как он использовался в качестве модели для некоторых из самых быстрых многопроцессорных систем в мире. Он даже использовался в качестве прототипа для исследователей Калифорнийского технологического института, которые использовали модель для таких проектов, как обработка спутниковых изображений в реальном времени и моделирование молекулярных моделей для различных областей исследований.
Что касается суперкомпьютеров, то первым широко признанным суперкомпьютером был Control Data Corporation (CDC) 6600 [74], построенный в 1964 году Сеймуром Крейем . Его максимальная скорость составляла 40 МГц или 3 миллиона операций с плавающей точкой в секунду ( FLOPS ). CDC 6600 был заменен на CDC 7600 в 1969 году; [75] хотя его обычная тактовая частота не была выше, чем у 6600, 7600 все равно был быстрее из-за своей пиковой тактовой частоты, которая была примерно в 30 раз выше, чем у 6600. Хотя CDC была лидером в области суперкомпьютеров, их отношения с Сеймуром Крейем (которые уже ухудшались) полностью развалились. В 1972 году Крей покинул CDC и основал свою собственную компанию Cray Research Inc. [76] При поддержке инвесторов с Уолл-стрит, индустрии, подпитываемой Холодной войной, и без ограничений, которые он имел в CDC, он создал суперкомпьютер Cray-1 . С тактовой частотой 80 МГц или 136 мегафлопс, Крэй создал себе имя в мире вычислений. К 1982 году Cray Research выпустила Cray X-MP, оснащенный многопроцессорной обработкой, а в 1985 году выпустила Cray-2 , который продолжил тенденцию многопроцессорной обработки и имел тактовую частоту 1,9 гигафлопс. Cray Research разработала Cray Y-MP в 1988 году, однако впоследствии боролась за продолжение производства суперкомпьютеров. Это было во многом связано с тем, что Холодная война закончилась, и спрос на передовые вычисления со стороны колледжей и правительства резко упал, а спрос на микропроцессорные блоки вырос.
В 1998 году Дэвид Бейдер разработал первый суперкомпьютер Linux , используя стандартные детали. [77] Во время работы в Университете Нью-Мексико Бейдер стремился построить суперкомпьютер, работающий под управлением Linux, используя потребительские готовые детали и высокоскоростную сеть межсоединений с малой задержкой. Прототип использовал Alta Technologies «AltaCluster» из восьми двухъядерных компьютеров Intel Pentium II с частотой 333 МГц, работающих под управлением модифицированного ядра Linux. Бейдер перенес значительное количество программного обеспечения для обеспечения поддержки Linux для необходимых компонентов, а также код от членов Национального вычислительного научного альянса (NCSA) для обеспечения совместимости, поскольку ни один из них ранее не запускался на Linux. [78] Используя успешный дизайн прототипа, он возглавил разработку «RoadRunner», первого суперкомпьютера Linux для открытого использования национальным научным и инженерным сообществом через Национальную технологическую сеть Национального научного фонда. RoadRunner был запущен в эксплуатацию в апреле 1999 года. На момент его развертывания он считался одним из 100 самых быстрых суперкомпьютеров в мире. [78] [79] Хотя кластеры на базе Linux, использующие компоненты потребительского уровня, такие как Beowulf , существовали до разработки прототипа Бейдера и RoadRunner, им не хватало масштабируемости, пропускной способности и возможностей параллельных вычислений , чтобы считаться «настоящими» суперкомпьютерами. [78]
Сегодня суперкомпьютеры по-прежнему используются правительствами мира и образовательными учреждениями для таких вычислений, как моделирование стихийных бедствий, поиск генетических вариантов в популяции, связанных с болезнями, и т. д. По состоянию на апрель 2023 года [обновлять]самым быстрым суперкомпьютером является Frontier .
Начиная с известных особых случаев, вычисление логарифмов и тригонометрических функций может быть выполнено путем поиска чисел в математической таблице и интерполяции между известными случаями. Для достаточно малых различий эта линейная операция была достаточно точной для использования в навигации и астрономии в эпоху Великих географических открытий . Использование интерполяции процветало в течение последних 500 лет: к двадцатому веку Лесли Комри и У. Дж. Эккерт систематизировали использование интерполяции в таблицах чисел для расчета с помощью перфокарт.
Численное решение дифференциальных уравнений, в частности уравнений Навье-Стокса, было важным стимулом для вычислений, с численным подходом Льюиса Фрая Ричардсона к решению дифференциальных уравнений. Первый компьютерный прогноз погоды был выполнен в 1950 году командой, состоящей из американских метеорологов Жюля Чарни , Филиппа Дункана Томпсона, Ларри Гейтса и норвежского метеоролога Рагнара Фьёртофта , прикладного математика Джона фон Неймана и программиста ENIAC Клары Дан фон Нейман . [80] [81] [82] По сей день некоторые из самых мощных компьютерных систем на Земле используются для прогнозов погоды . [83]
К концу 1960-х годов компьютерные системы могли выполнять символьные алгебраические манипуляции достаточно хорошо, чтобы сдать курсы по исчислению на уровне колледжа . [ необходима цитата ]
Женщины часто недопредставлены в областях STEM по сравнению с их коллегами-мужчинами. [84] В современную эпоху до 1960-х годов вычисления широко рассматривались как «женская работа», поскольку они были связаны с работой счетных машин и другой механической офисной работой. [85] [86] Точность этой ассоциации варьировалась от места к месту. В Америке Маргарет Гамильтон вспоминала среду, в которой доминировали мужчины, [87] в то время как Элси Шатт вспоминала удивление, увидев, что даже половина операторов компьютеров в Raytheon были мужчинами. [88] Операторами машин в Великобритании в начале 1970-х годов были в основном женщины. [89] По мере того, как эти представления менялись, и вычисления становились высокостатусной карьерой, в этой области все больше доминировали мужчины. [90] [91] [92] Профессор Джанет Эббейт в своей книге Recoding Gender пишет:
Тем не менее, женщины были значительным присутствием в первые десятилетия вычислительной техники. Они составляли большинство первых программистов во время Второй мировой войны; они занимали ответственные и влиятельные должности в ранней компьютерной индустрии; и они были заняты в количестве, которое, хотя и составляло небольшое меньшинство от общего числа, выгодно отличалось от представительства женщин во многих других областях науки и техники. Некоторые женщины-программисты 1950-х и 1960-х годов посмеялись бы над идеей, что программирование когда-либо будет считаться мужским занятием, однако опыт и вклад этих женщин были забыты слишком быстро. [93]
Вот несколько примечательных примеров женщин в истории вычислительной техники:
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)(3+207+1 стр.) 10:00 мин.