Історія комп’ютера – початок ХХ століття

У 1937 році Джордж Стібіц створив із звичайних електромеханічних реле двійковий суматор – пристрій, здатний виконувати операцію складання чисел в двійковому коді. І сьогодні двійковий суматор як і раніше є одним з основних компонентів будь-якого комп’ютера, основою його арифметичного пристрою.

У 1937-1942 рр. Джон Атанасофф створив модель першої обчислювальної машини, що працювала на вакуумних електронних лампах. У ній використовувалася двійкова система числення. Для введення даних і виведення результатів обчислень використовувалися перфокарти. Робота над цією машиною в 1942 році була практично завершена, але із-за війни подальше фінансування було припинене.

У 1937 році Конрад Цузе створив свою першу обчислювальну машину Z1 на основі електромеханічних реле. Початкові дані вводилися в неї за допомогою клавіатури, а результат обчислень висвічувався на панелі з множиною електричних лампочок. У 1938 році К. Цузе створив вдосконалену модель Z2. Програми в неї вводилися за допомогою перфострічки. Її виготовляли, пробиваючи отвори у використаній 35-міліметровій фотоплівці. У 1941 році К. Цузе побудував комп’ютер Z3, що діяв, а пізніше і Z4, засновані на двійковій системі числення. Вони використовувалися для розрахунків при створенні літаків і ракет. У 1942 році Конрад Цузе і Хельмут Шрайер задумали перекласти Z3 з електромеханічних реле на вакуумні електронні лампи. Така машина повинна була працювати в 1000 разів швидше, але створити її не вдалося – перешкодила війна.

У 1943-1944 роках на одному з підприємств Ай-Би-Эм (IBM) в співпраці з ученими Гарвардського університету на чолі з Говардом Ейкеном була створена обчислювальна машина “Марк-1”. Важила вона близько 35 тонн. “Марк-1” був заснований на застосуванні електромеханічних реле і оперував числами, закодованими на перфострічці.

При її створенні використовувалися ідеї, закладені Ч. Беббіджем в його аналітичній машині. На відміну від Стібіца і Цузе, Ейкен не усвідомив переваг двійкової системи числення і в своїй машині використовував десяткову систему. Машина могла маніпулювати числами завдовжки до 23 розрядів. Для перемножування два таких чисел їй було необхідно витратити 4 секунди. У 1947 році була створена машина “Марк-2”, в якій вже використовувалася двійкова система числення. У цій машині операції складання і віднімання займали в середньому 0,125 секунд, а множення – 0,25 секунд.

Абстрактна наука алгебра логіки близька до практичного життя. Вона дозволяє вирішувати самі різні завдання управління.

Вхідні і вихідні сигнали електромагнітних реле, подібно до висловів в булевій алгебрі, також набувають тільки два значення. Коли обмотка знеструмлена, вхідний сигнал дорівнює 0, а якщо по обмотці протікає струм, вхідний сигнал дорівнює 1. Коли контакт реле розімкнений, вихідний сигнал дорівнює 0, а якщо контакт замкнутий – рівний 1.

Саме це схожість між висловами в булевій алгебрі і поведінкою електромагнітних реле відмітив відомий фізик Пауль Еренфест. Ще в 1910 році він запропонував використовувати булеву алгебру для опису роботи релейних схем в телефонних системах. За іншою версією, ідея використання булевої алгебри для опису електричних схем перемикачів належить Пірсу. У 1936 році засновник сучасної теорії інформації Клод Шеннон в своїй докторській дисертації об’єднав двійкову систему числення, математичну логіку і електричні ланцюги.

Зв’язки між електромагнітними реле в схемах зручно позначати за допомогою логічних операцій НЕ, І, АБО, ПОВТОРЕННЯ (ТАК) і так далі Наприклад, послідовне з’єднання контактів реле реалізує операцію І, а паралельне з’єднання цих контактів – логічну операцію АБО. Аналогічно виконуються операції І, АБО, НЕ в електронних схемах, де роль реле, що замикають і розмикають електричні ланцюги, виконують безконтактні напівпровідникові елементи – транзистори, створені в 1947-1948 роках американськими ученими Д. Бардіним, У. Браттейном і У. Шоклі.

Електромеханічні реле працювали дуже поволі. Тому вже в 1943 році американці почали розробку обчислювальної машини на основі електронних ламп. У 1946 році Преспер Еккерт і Джон Мочлі побудували першу електронну цифрову обчислювальну машину ENIAC. Її вага складала 30 тонн, вона займала 170 кв. м площі. Замість тисяч електромеханічних реле ENIAC містив 18000 електронних ламп. Вважала машина в двійковій системі і проводила 5000 операцій складання або 300 операцій множення в секунду. На електронних лампах в цій машині було побудовано не тільки арифметичний, але і такий, що запам’ятовує пристрій. Введення числових даних здійснювалося за допомогою перфокарт, програми ж вводилися в цю машину за допомогою штекерів і набірних полів, тобто доводилося сполучати для кожної нової програми тисячі контактів. Тому для підготовки до рішення нового завдання потрібне до декількох днів, хоча саме завдання вирішувалося за декілька хвилин. Це було одним з основних недоліків такої машини.

Роботи трьох видатних учених – Клода Шеннона, Алана Тьюрінга і Джона фон Неймана – стали основою для створення структури сучасних комп’ютерів.

Шенон Клод (1916 г.р.) – американський інженер і математик, основоположник математичної теорії інформації.

У 1948 році опублікував роботу “Математична теорія зв’язку”, зі свій теорією передачі і обробки інформації, яка включала всі види повідомлень, зокрема передаваних по нервових волокнах в живих організмах. Шенон ввів поняття кількості інформації як заходи невизначеності стану системи, що знімається при отриманні інформації. Він назвав цей захід невизначеності ентропією по аналогії з подібним поняттям в статистичній механіці. При отриманні спостерігачем інформації ентропія, тобто ступінь його непоінформованості про стан системи, зменшується.

Тюрінг Алан (1912-1954) – англійський математик. Основні праці – по математичній логіці і обчислювальній математиці. У 1936-1937 рр. написав основоположну роботу “Про обчислювані числа”, в якій ввів поняття абстрактного пристрою, названого згодом “машиною Тюрінга”. У цьому пристрої він передбачив основні властивості сучасного комп’ютера. Тюрінг назвав свій пристрій “універсальною машиною”, оскільки вона повинна була вирішувати будь-яку допустиму (теоретично вирішувану) математичну або логічну задачу. Дані в неї потрібно вводити з паперової стрічки, поділеної на осередки – клітки. У кожній такій клітці повинен був або міститися символ, або немає. Машина Тюрінга могла обробляти символи, що вводилися із стрічки, і змінювати їх, тобто стирати їх і записувати нові по інструкціях, що зберігаються в її внутрішній пам’яті.

Нейман Джон фон (1903-1957) – американський математик і фізик, учасник робіт із створення атомної і водневої зброї. Народився в Будапешті, з 1930 року проживав в США. У своїй доповіді, що опублікованій в 1945 році і став першою роботою по цифрових електронних комп’ютерах, виділив і описав “архітектуру” сучасного комп’ютера.

У наступній машині – EDVAC – її більш містка внутрішня пам’ять здатна була зберігати не тільки початкові дані, але і програму обчислень. Цю ідею – зберігати в пам’яті машини програми – разом з Мочлі і Еккертом висунув математика Джон фон Нейман. Він вперше описав структуру універсального комп’ютера (так звану “архітектуру фон Неймана” сучасного комп’ютера). Для універсальності і ефективної роботи, на думку фон Неймана, комп’ютер повинен містити центральний арифметико-логічний пристрій, центральний пристрій управління всіма операціями, що запам’ятовує пристрій (пам’ять) і пристрій введення/виводу інформації, а програми слід зберігати в пам’яті комп’ютера.

Фон Нейман рахував, що комп’ютер повинен працювати на основі двійкової системи числення, бути електронним і виконувати всі операції послідовно, одну за іншою. Ці принципи закладені в основу всіх сучасних комп’ютерів.

Машина на електронних лампах працювала значно швидше, ніж на електромеханічних реле, але самі електронні лампи були ненадійні. Вони часто виходили з ладу. Для їх заміни в 1947 році Джон Бардін, Уолтер Браттейн і Уїльям Шоклі запропонували використовувати винайдені ними перемикальні напівпровідникові елементи – транзистори.