Дизайн техносферы. Очерки эволюции - Владимир Курушин

Широкое распространение механических вычислительных машин началось чуть более ста лет тому назад, после того как в 1879 году петербургский инженер В. Т. Однер получил патент на изобретенный им арифмометр. В первой четверти прошлого века механические арифмометры были основным средством выполнения вычислительных работ. Арифмометр «Феликс» до недавнего времени пользовался необычайной популярностью (рис. 6.2). Он представлял собой тяжеленный металлический агрегат с ручкой на боку, которую следовало крутить один раз для сложения или вычитания, и несколько раз для умножения или деления. Треск «железного Феликса» всегда сопровождал работу бухгалтеров и статистиков.

Рис. 6.2. Арифмометр «Феликс»

Первая электронно-вычислительная машина отпраздновала свой полувековой юбилей на нашей памяти. Она называлась довольно длинно: The Electronic Numerical Integrator and Calculator — электронный числовой интегратор и калькулятор. Появилась она на свет в конце 1945 года. Чтобы не тратить лишних слов, ее кратко назвали ENIAC, по первым буквам длинного имени. Создали эту ЭВМ математики и инженеры всемирно известной фирмы Ремингтон, которая раньше специализировалась на производстве пишущих машинок. ENIAC, по нынешним меркам, был огромным. Он весил 30 тонн, имел размер около 25 метров в длину, занимал большое помещение и работал на электронных лампах, как радиоприемники того времени. Лампы, которых в вычислительной машине насчитывалось 17 тысяч, обрабатывали данные в импульсном режиме, постоянно переключаясь из одного состояния в другое. Из-за этого безотказная работа ЭВМ исчислялась лишь часами, а иногда всего десятками минут. Обслуживал ЭВМ большой коллектив инженеров и программистов-математиков.

Эта чудо-машина использовалась для подготовки долгосрочных прогнозов погоды. Однако длинные ряды цифр печатались так долго, что гроза, предсказанная ЭВМ, часто уже гремела за окнами вычислительного центра. Иногда ENIAC выполнял сложные математические расчеты по ядерной физике.

Экскурсовод проводит группу в зал вычислительного центра, где установлена ламповая электронно-вычислительная машина «Стрела» (рис. 6.3). Огромное помещение, в котором размещается ЭВМ, до отказа заставлено металлическими стойками-шкафами, в которых находятся тысячи сменных блоков с электронными лампами. Их форма так же суха и бесстрастна, как и вся вычислительная математика. Аппаратура, по моде того времени, окрашивалась так называемой «шаровой» краской мышиного цвета. Чтобы скрасить унылый интерьер вычислительного центра, на металлических стойках вычислительной машины нередко появлялись принесенные из дома комнатные растения — кактусы и столетники. Центральное место машинного зала занимает пульт управления ЭВМ с множеством индикаторов, измерительных приборов и регулировочных ручек. Все свободное место занято громоздкими тумбами — терминалами, предназначенными для ввода, хранения и распечатки цифровых данных, обрабатываемых машиной.

— В вычислительном центре нашего Музея, — поясняет Экскурсовод, — установлены несколько ламповых ЭВМ. «Стрела» — одна из тех, которые относятся, как принято говорить, к первому поколению машин. Термин «поколение» — не более чем расхожее выражение. Дело в том, что ЭВМ не просто сменяли друг друга, а появлялись по мере совершенствования конструкции и какое-то время сосуществовали совместно. Электронно-вычислительные машины первого поколения создавались всего в нескольких экземплярах и награждались красивыми именами: «Стрела», «Погода», «Кристалл», «Урал-1», «Урал-2», «Минск-1».

Рис. 6.3. Электронно-вычислительная машина «Стрела», 1950-е годы

В 50-х годах Бюро переписи населения США заменило устаревшие к тому времени механические табуляторы фирмы «International Bussines Machines» (IBM) на ЭВМ ENIAC. В связи с потерей крупного заказчика своей продукции, IBM решила сосредоточиться на производстве электронно-вычислительной техники. В то время это дело было новым и невероятно сложным. Здесь можно было скорее потерять, чем приобрести. Однако риск оправдался.

Достижения IBM в области разработки электронно-вычислительной техники были значительны: она создала System 360, которая положила начало многочисленному семейству подобных ЭВМ. Успех превзошел все ожидания. За короткое время объем продаж этой машины достиг 20 тысяч штук, что по тем временам составляло 2/3 всего компьютерного рынка.

С появлением транзисторов появились ЭВМ второго поколения. Они, как и их ламповые предшественницы, назывались красиво: «Наири», «Мир», «Минск-22», «Минск-32», «Урал-14». Исключением из перечня имен, вошедших в своеобразные вычислительные святцы, были БЭСМ-4, М-220 и самая быстродействующая БЭСМ-6, крестными отцами которой являлись ученые Академии наук СССР. Эти машины назвали не так красиво, как ровесниц, зато наградили великолепными техническими характеристиками.

— Музейная БЭСМ-6 работает до настоящего времени, — объявляет Экскурсовод. — Но сегодня она на профилактике, поэтому мы ее не увидим.

ЭВМ второго поколения были гораздо надежнее и, как говорят инженеры-вычислители, производительнее ламповых. Размеры машин уменьшились, а скорость вычислений — возросла. ЭВМ среднего класса имели специфический вид пультов управления, с которых инженер-оператор контролировал весь процесс вычислений.

В то же время были изобретены настольные программно-управляемые клавишные вычислительные машины. Для простоты их называли просто ПКВМ.

Музейный работник останавливается рядом с экспонатом, установленным на большом письменном столе.

— Одну из таких машин вы сейчас и видите (рис. 6.4). Это — отечественная ПКВМ «Искра-125» в сопровождении своих «периферийных» спутников. Ее процессор размещался в литом силуминовом корпусе, внешний вид которого, скорее всего, уже был создан с участием художников-проектировщиков. Облик периферийных устройств оставлял желать лучшего. Они представляли собой безликие кубы и параллелепипеды, снабженные кнопками и ручками управления. К сожалению, ни сама машина, ни ее спутники не отличались ни надежностью, ни красивым внешним видом. Конструкторы ПКВМ, наверное, даже не догадывались, какое пламя из этой искры возгорится через несколько лет. На смену ПКВМ пришли персональные компьютеры.

В 1959 году инженеры из фирмы «Тексас инструментс» придумали, как «упаковать» несколько транзисторов в один корпус и соединить их друг с другом без проводов. Таким образом, родились интегральные схемы, или сокращенно ИС. «Отцом» интегральной схемы является выдающийся американский ученый, лауреат Нобелевской премии 2000 года Джек Килби. Его фотография занимает самое видное место в нашей экспозиции (рис. 6.5).

Рис. 6.4. Транзисторная программно-управляемая клавишная вычислительная машина настольного типа

Рис. 6.5. Джек Ст. Клэир Килби. На переднем плане — современная интегральная схема

Килби посчитал, что только микросхемы могут решить проблему конструирования сложных вычислительных систем. Он пришел к выводу, что в основу решения этой проблемы должен быть положен тот же самый материал, из которого делаются транзисторы. Килби понял, что если все компоненты микросхемы сделать из кремния, то они могут быть беспрепятственно соединены между собой, чтобы формировать законченную схему.

12 сентября 1958 года он продемонстрировал первую в мире интегральную схему, размещенную на небольшой пластинке кремния. Она состояла всего лишь из одного транзистора и нескольких других элементов. Никто не предполагал, что первая микросхема размером с почтовую марку в дальнейшем полностью преобразует электронную промышленность.

Таким образом, благодаря Килби, ученые научились размещать на одном кристалле не только транзисторы, но и другие элементы — резисторы и конденсаторы. В дальнейшем на одной кремниевой пластинке, размером с транзистор, будут размещаться миллионы различных элементов. Их назовут БИСами — большими интегральными схемами.

Вначале на основе микросхемы был создан первый в мире электронный калькулятор. Его размеры составляли 108×156×27 мм. Полупроводниковая БИС позволяла выполнять основные математические действия — сложение, вычитание, умножение и деление. Создателями калькулятора являлись Джек Килби, Джерри Мерриман и Джеймс Ван Тассел.

— Сейчас, — Экскурсовод обращается к группе, — электронные калькуляторы стали настолько обыденной вещью, что они есть почти у половины грамотного населения. Поднимите, пожалуйста, руки, у кого они с собой.

В ответ на этот призыв каждый второй экскурсант поднимает над головой миниатюрную счетную машинку (рис. 6.6). Ни одной похожей друг на друга гид, как ни старался, так и не увидел. А в руках одного из посетителей Музея даже оказался мобильный телефон, с помощью которого можно делать несложные вычисления.