Ламповые компьютеры Выполнил: Исраилов Б.С

Ламповые Компьютеры Ламповые компьютеры это программируемые цифровые компьютеры, в которых логические цепи построены на основе электронных ламп. Они являлись компьютерами первого поколения, следовали за компьютерами, построенными на основе электромеханических реле, и предшествовали компьютерам второго поколения, построенным на основе дискретных транзисторов. В основном предназначались для больших вычислений.

Первый ламповый компьютер Компьютер Атанасова - Берри - первое цифровое вычислительное устройство, а также первая вычислительная машина без движущихся частей. Задуманная в 1937 году, машина не была программируемой, и разрабатывалась только в целях решения систем линейных уравнений. В 1942 году она была успешно протестирована. Устройство для хранения промежуточных результатов на основе бумажных карт было довольно ненадёжным. В ABC впервые появились некоторые элементы близкие современным компьютерам, такие как двоичная арифметика и триггеры.

Эниак ЭНИАК (ENIAC , сокр. от Electronic Numerical Integrator and Computer - Электронный числовой интегратор и вычислитель) - первый электронный цифровой компьютер общего назначения, который можно было перепрограммировать для решения широкого спектра задач. Разработан в 1946 году, вес - 27 тонн. Потребляемая мощность - 174 кВт. На создание ушло 486 804,22 доллара. В качестве испытания ЭНИАКу первой была поставлена задача по математическому моделированию термоядерного взрыва супер-бомбы по гипотезе Улама-Теллера. Производительность ЭНИАКа была слишком мала для полноценного моделирования, уравнение упростили, игнорируя многие физические эффекты и стараясь хотя бы приблизительно рассчитать лишь первую фазу смеси в одномерном пространстве. Результаты, хоть и очень приблизительные, доказали возможность создания водородной бомбы. Британский физик Дуглас Хартри в апреле и июле 1946 года решал на ЭНИАКе проблему обтекания воздухом крыла самолета, движущегося быстрее скорости звука. ЭНИАК выдал ему результаты расчётов с точностью до седьмого знака. В 1949 году ЭНИАК использовали для расчёта числа π и e с точностью до 2000 знаков после запятой. А весной 1950 года был произведён первый успешный численный прогноз погоды.

МЭСМ МЭСМ (Малая электронная счётная машина) - первая в СССР и континентальной Европе электронно-вычислительная машина. Разрабатывалась лабораторией С. А. Лебедева (на базе киевского Института электротехники) с конца 1948 года. Первоначально МЭСМ задумывалась как макет или модель Большой электронной счётной машины (БЭСМ), первое время буква «М» в названии означала « модель». Работа над машиной носила исследовательский характер, в целях экспериментальной проверки принципов построения универсальных цифровых ЭВМ. После первых успехов и с целью удовлетворения обширных потребностей в вычислительной технике, было принято решение доделать макет до полноценной машины, способной решать реальные задачи. Т актовая частота: 5 кГц; занимаемая площадь: 60 м²

БЭСМ БЭСМ (сокращение от Большая (или Быстродействующая) электронно-счётная машина) - серия советских электронных вычислительных машин общего назначения, предназначенных для решения широкого круга задач. БЭСМ-2 - Усовершенствованный вариант БЭСМ-1, подготовленный для производства. Одна из первых серийно выпускавшихся ЭВМ (в 1953-56 годы серией было выпущено 7 экземпляров ЭВМ «Стрела», с 1957 года начался серийный выпуск машины «Урал-1», которых до 1961 года выпустили 183 экземпляра). Основные технические характеристики аналогичны характеристикам БЭСМ-1. 20 тысяч операций в секунду, ОЗУ на 2048 39-разрядных слов на ферритных сердечниках (200 000 ферритных сердечников). В машине содержалось 4 тыс. электронных ламп и 5 тыс. полупроводниковых диодов. Выпускалась с 1958 года по 1962 год. Было изготовлено 67 машин. На одной из БЭСМ-2, в частности, был произведён расчёт траектории ракеты, доставившей вымпел СССР на Луну.

Чарльз Бэббидж Ча́рльз Бэ́ббидж (1791 , Лондон, Англия - 1871) - английский математик, изобретатель первой аналитической вычислительной машины. Сконструировал и построил (1820-22) машину для табулирования (вычисление значений функции при изменении аргумента). В 1833 разработал проект универсальной цифровой вычислительной машины - прообраза современной ЭВМ.

Первое поколение ЭВМ создавалось на электронных лампах в период с 1944 по 1954 гг.

Электронная лампа – это прибор, работа которого осуществляется за счет изменения потока электронов, двигающихся в вакууме от катода к аноду.

Движение электронов происходит за счет термоэлектронной эмиссии – испускания электронов с поверхности нагретых металлов. Дело в том, что металлы обладают большой концентрацией свободных электронов, обладающих различной энергией, а, следовательно, и скоростями движения. По мере нагревания металла энергия электронов возрастает, и некоторые из них преодолевают потенциальный барьер на границе металла.

Рис.1 Вид электронной лампы

Принцип работы электронной лампы следующий. Если на вход лампы подается логическая единица (например, напряжение 2 Вольта), то на выходе с лампы мы получим либо логический ноль (напряжение менее 1В), или логическую единицу (2В). Логическую единицу получим, если управляющее напряжение отсутствует, так как ток беспрепятственно пройдет от катода к аноду. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, то электроны, идущие от катода к аноду, будут отталкиваться от сетки, и, в результате, ток протекать не будет, и на выходе с лампы будет логический ноль. Используя этот принцип, строились все логические элементы ламповых ЭВМ.

В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током, а анодом – небольшой металлический цилиндр. При подаче напряжения на катода под действием термоэлектронной эмиссии с катода начнут исходить электроны, которые в свою очередь будут приниматься анодом.

Применение электронных ламп резко повысило вычислительные возможности ЭВМ, что способствовало быстрому переходу от первых автоматических релейных вычислительных машин к ламповым ЭВМ первого поколения.

Однако, не обошлось без проблем. Использование электронных ламп омрачала их низкая надежность, высокое энергопотребление и большие габариты. Первые ЭВМ были поистине гигантских размеров и занимали несколько комнат в научно-исследовательских институтах. Обслуживание таких ЭВМ было крайне сложным и трудоемким, постоянно выходили из строя лампы, происходили сбои при

Рис.2 Принцип работы электронной лампы

вводе данных, и возникало множество других проблем. Не менее сложными и дорогостоящими приходилось делать и системы питания (нужно было прокладывать специальные силовые шины для обеспечения питания ЭВМ и делать сложную разводку, чтобы подвести кабели ко всем элементам), и системы охлаждения (лампы сильно грелись, от чего еще чаще выходили из строя).

Несмотря на это, конструкция ЭВМ быстро развивалась, скорость вычисления достигала нескольких тысяч операций в секунду, емкость ОЗУ – порядка 2048 машинных слов. В ЭВМ первого поколения программа уже хранилась в памяти, и использовалась параллельная обработка разрядов машинных слов.

Создаваемые ЭВМ, в основном, были универсальными и использовались для решения научно-технических задач. Со временем производство ЭВМ становится серийным, и они начинают использоваться в коммерческих целях.

В этот же период происходит становление архитектуры Фон-неймановского типа, и многие постулаты, нашедшие свое применение в ЭВМ первого поколения, остаются популярными и по сей день.

Основные критерии разработки ЭВМ, сформулированные Фон-Нейманом в 1946 году, перечислены ниже:

1. ЭВМ должны работать в двоичной системе счисления;

2. все действия, выполняемые ЭВМ, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательного набора команд. Каждая команда должна содержать код операции, адреса операндов и набор служебных признаков;

3. команды должны храниться в памяти ЭВМ в двоичном коде, так как это позволяет:

а) сохранять промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа в том же запоминающем устройстве, где размещается программа;

б) двоичная запись команд позволяет производить операции над величинами, которыми они закодированы;

в) появляется возможность передачи управления на различные участки программы, в зависимости от результатов вычислений;

4. память должна иметь иерархичную организацию, так как скорость работы запоминающих устройств значительно отстает от быстродействия логических схем;

5. арифметические операции должны выполняться на основе схем, выполняющих только операции сложения, а создание специальных устройств – нецелесообразно;

6. для увеличения быстродействия необходимо использовать параллельную организацию вычислительного процесса, т.е. операции над словами будут производиться одновременно во всех разрядах слова.

Стоит отметить, что ЭВМ первого поколения создавались не с нуля. В то время уже были наработки в области построения электронных схем, например, в радиолокации и других смежных областях науки и техники. Однако, наиболее серьезные вопросы были связаны с разработкой запоминающих устройств. Ранее они практически не были востребованы, поэтому какого-либо серьезного опыта в их разработки накоплено не было. Следовательно, каждый прорыв в разработке запоминающих устройств приводил к серьезному шагу вперед в конструировании ЭВМ, так как разработка быстродействующей и емкой памяти – это неотъемлемое условие разработки мощной и быстродействующей ЭВМ.

Первые ЭВМ использовали в качестве запоминающего устройства – статические триггеры на ламповых триодах. Однако, получить запоминающее устройство на электронных лампах приемлемой емкости требовало неимоверных затрат. Для запоминания одного двоичного разряда требовалось два триода, при этом для сохранения информации они должны были непрерывно потреблять энергию. Это, в свою очередь, приводило к серьезным выделениям тепла и катастрофическому снижению надежности. В результате, запоминающее устройство было крайне громоздким, дорогим и ненадежным.

В 1944 году начал разрабатываться новый тип запоминающих устройств, основанный на использовании ультразвуковых ртутных линий задержки. Идея была заимствована из устройства уменьшения помех от неподвижных предметов и земли, разработанного для радаров во время Второй Мировой Войны.

Чтобы убрать неподвижные объекты с экрана радара отражённый сигнал разделяли на два, один из которых посылался непосредственно на экран радара, а второй задерживался. При одновременном выводе на экран нормального и запаздывающего сигналов любое появлявшееся из-за задержки и обратной полярности совпадение стиралось, оставляя только подвижные объекты.

Задержка сигнала осуществлялась с помощью линий задержки - наполненных ртутью трубок с пьезокристаллическим преобразователем на концах. Сигналы от радарного усилителя посылались на пьезокристалл в одном конце трубки, и тот, получая импульс, генерировал небольшое колебание ртути. Колебание быстро передавалось на другой конец трубки, где другой пьезокристалл его инвертировал и передавал на экран.

Ртуть использовалась, потому что её удельное акустическое сопротивление почти равно акустическому сопротивлению пьезокристаллов. Это минимизировало энергетические потери, происходящие при передаче сигнала от кристалла к ртути и обратно.

Рис.3 Память на ртутных лилиях задержки.

Для использования в качестве памяти, ртутные линии задержки были несколько доработаны. На принимающем конце трубки был установлен повторитель, который посылал входной сигнал обратно на вход линии задержки, таким образом, импульс, посланный в систему хранения данных, продолжал циркулировать в линии задержки, а, следовательно, сохранялся бит информации до тех пор, пока было электропитание.

Каждая линия задержки сохраняла не один импульс (бит данных), а целый набор импульсов, количество которых определялось скоростью прохождения импульса через ртутную линию задержки (1450 м/с), длительностью импульсов, интервалом между ними и длинной трубки.

Впервые такое устройство хранения данных было использовано в английской ЭВМ – ЭДСАК, вышедшей в свет в 1949 году.

Память на ртутных линиях задержки была огромным шагом вперед, по сравнению с памятью на ламповых триодах, и привела к скачку в развитии вычислительной техники. Однако, она обладала рядом серьезных недостатков:

1. линии задержки требовали строгой синхронизации с устройством считывания данных. Импульсы должны были поступать на приёмник именно в тот момент, когда компьютер был готов считать их;

2. для минимизации энергетических потерь, происходящих при передаче сигнала в линии задержки, ртуть надо содержать при температуре в 40°C, так как при этой температуре ртути удается достигнуть максимального согласования акустических сопротивлений ртути и пьезокристаллов. Это тяжелая и некомфортная работа;

3. изменение температуры ртути также приводило к

Рис.4 Запоминающая электронно-лучевая трубка

уменьшению скорости прохождения звука. Приходилось поддерживать температуру в строго заданных рамках, либо регулировать тактовую частоту компьютера, подстраиваясь под скорость распространения звука в ртути при текущей температуре;

4. сигнал мог отражаться от стенок и концов трубки. Приходилось применять серьезные методы для устранения отражений и тщательно настраивать положение пьезокристаллов;

5. скорость работы памяти на ртутных линиях задержки была невелика и ограничивалась скоростью звука в ртути. В результате, она была слишком медленной и значительно отставала от вычислительных возможностей ЭВМ, что сдерживало их развитие. В результате, скорость ЭВМ с памятью на ультразвуковых ртутных линиях задержки составляла несколько тысяч операций в секунду;

6. ртуть – чрезвычайно токсичный и дорогой материал, применение которого связано с необходимостью соблюдения жестких норм безопасности.

Поэтому требовалась новая, более быстрая память для продолжения развития ЭВМ. Вскоре, после создания первой ЭВМ на ультразвуковых ртутных линиях задержки, начались работы по исследованию нового типа памяти, использующего электронно-лучевые трубки, представляющие собой модификацию осциллографических трубок.

Впервые, способ хранения данных с помощью электронно-лучевых трубок был разработан в 1946 году Фредериком Уильямсом. Изобретение

Уильямсона могло сохранять всего один бит и работало следующим образом.

С помощью электронно-лучевой трубки пучок электронов фокусировался на участке пластины, покрытой специальным веществом. В результате, этот участок под действием вторичной эмиссии испускал электроны и приобретал положительный заряд, который сохранялся доли секунды, даже после отключения луча. Если через

Рис.5 Память на магнитных сердечниках

короткие интервалы времени повторять бомбардировку электронами, то заряд участка можно сохранять столько, сколько потребуется.

Если же луч, не отключая, чуть передвинуть на соседний участок, то электроны, испущенные соседним участком, будут поглощены первым участком, и он примет нейтральный заряд.

Таким образом, в ячейку, состоящую из двух смежных участков, можно быстро записывать 1 бит информации. Ячейка без заряда – 1, ячейка с положительным зарядом – 0.

Для считывания сохраненного бита информации, с противоположной стороны пластины прикреплялись электроды, измеряющие величину изменения заряда ячейки, а сама ячейка подвергалась повторному воздействию лучом электронов. В результате, независимо от первоначального состояния, она получала положительный заряд. Если ячейка уже имела положительный заряд, то изменение ее заряда было меньше, чем, если бы она имела нейтральный заряд. Анализируя величину изменения заряда, определяли значение сохраненного в этой ячейке бита.

Однако, процесс считывания данных уничтожал информацию, сохраненную в ячейке, поэтому после операции чтения приходилось повторно записывать данные. В этом процесс работы с памятью на электронно-лучевых трубках был очень похож на работу с современной динамической памятью.

Первый компьютер с такой памятью появился летом 1948 года и позволял сохранять до тридцати двух тридцати двух разрядных двоичных слов.

Со временем память на электронно-лучевых трубках была заменена памятью с магнитными сердечниками. Этот тип памяти был разработан Дж. Форрестером и У. Папяном, и введен в эксплуатацию в 1953 году.

Память на магнитных сердечниках хранила данные в виде направления намагниченности небольших ферритовых колец. Каждое кольцо сохраняло 1 бит информации, а вся память представляла собой прямоугольную матрицу.

В простейшем случае устройство памяти было следующим.

Вдоль строк матрицы через кольца пропускались провода возбуждения (на рисунке они выделены зеленым цветом). Аналогичные провода пропускались через кольца вдоль столбцов матрицы (синий цвет).

Ток, проходящий через эти провода, устанавливал направление намагниченности колец. Причем, сила тока была такова, что один провод не мог изменить направление намагниченности, а, следовательно, направление намагниченности изменялось только в кольце, находящемся на пересечении красного и синего провода. Это было необходимо, так как на каждый провод возбуждения было нанизано несколько десятков ферритовых колец, а изменять состояние нужно было только в одном кольце.

Если в выбранном кольце изменять состояние намагниченности не требовалось, то подавали ток в провод запрета (красный цвет) в направлении, противоположном току в проводах возбуждения. В результате, сумма токов была недостаточной для изменения намагниченности кольца.

Рис.6 Память на магнитных стержнях

Таким образом, в каждом колечке могли храниться 1 или 0, в зависимости от направления намагниченности.

Для считывания данных с выбранного ферритового кольца, на него по проводам возбуждения подавались такие импульсы тока, что их сумма приводила к намагниченности кольца в определенном направлении, независимо от первоначального намагничивания.

При изменении намагниченности кольца в проводе считывания возникал индукционный ток. Измеряя его, можно было определить, насколько изменилось направление намагниченности в кольце, а, следовательно, узнать хранимое им значение.

Как видите, процесс считывания уничтожал данные (также, как и в современной динамической памяти), поэтому после считывания было необходимо заново записать данные.

Вскоре, этот тип памяти стал доминирующим, вытеснив электронно-лучевые трубки и ультразвуковые ртутные линии задержки. Это дало еще один скачок в производительности ЭВМ.

Дальнейшее развитие и совершенствование ЭВМ позволило им прочно занять свою нишу в области науки и техники.

К числу передовых ЭВМ первого поколения можно отнести:

Рис.7 Тенденции развития эвм первого поколения

ENIAC - первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер, созданный в 1946 году по заказу армии США в лаборатории баллистических исследований для расчётов таблиц стрельбы. В эксплуатацию введен 14 февраля 1946 года;

EDVAC - одна из первых электронных вычислительных машин, разработанная в лаборатории баллистических исследований армии США, представленная публике в 1949 году;

EDSAC - электронная вычислительная машина, созданная в 1949 году в Кембриджском Университете (Великобритания) группой во главе с Морисом Уилксом;

UNIVAC - универсальный автоматический компьютер, созданный в 1951 году Д. Моучли и Дж. Преспер Эккерт;

IAS - ЭВМ Института Перспективных Исследований, разработанная под руководством Дж. Неймана в 1952 году;

Whirlwind – ЭВМ, созданная в Массачусетском Технологическом Университете в марте 1951 года;

МЭСМ - Малая Электронная Счетная Машина – первая отечественная ЭВМ, созданная в 1950 году С.А. Лебедевым;

БЭСМ - Большая Электронная Счетная Машина, разработанная Институтом Точной Механики и Вычислительной Техники Академии наук СССР.

Все эти и многие другие вычислительные машины первого поколения подготовили надежную стартовую площадку для победного марша ЭВМ по всему миру.

Стоит отметить, что не было резкого перехода от ЭВМ первого поколения на электронных лампах к ЭВМ второго поколения на транзисторах. Электронные лампы постепенно заменялись, вытесняясь твердотельными транзисторами. В первую очередь, были вытеснены электронные лампы из устройств хранения данных, а затем постепенно они вытеснялись из арифметико-логических устройств.

Слева, схематично изображен переход от чисто ламповых ЭВМ к ЭВМ второго поколения.

За время существования ламповых ЭВМ их структура, изображенная на рисунке ниже, не претерпела серьезных изменений. Переход ко второму поколению ЭВМ также не внес существенных изменений в их структурное построение. В основном, изменилась только элементная база. Серьезные изменения структуры построения ЭВМ начались ближе к третьему поколению ЭВМ, когда начали появляться первые интегральные схемы.

Рис.8 Структурная схема ЭВМ первого поколения

С помощью устройства ввода данных (УВв), в ЭВМ вводились программы и исходные данные к ним. Введенная информация целиком или полностью запоминалась в оперативном запоминающим устройстве (ОЗУ). Затем, при необходимости, она заносилась во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), откуда по мере надобности могла подгружаться в ОЗУ.

После ввода данных или считывания их из ВЗУ, программная информация, команда за командой, считывалась из ОЗУ и передавалась в устройство управления (УУ).

Устройство управления дешифрировало команду, определяло адреса операндов и номер следующей команды, которую нужно было считать из ОЗУ. Затем, путем принудительной координации всех элементов ЭВМ, УУ организовывало исполнение команды и запрашивало следующую. Цепи сигналов управления показаны на рисунке штриховыми линиями.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняло арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является вычислительное ядро, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др.

Промежуточные результаты, полученные после выполнения отдельных команд, сохранялись в ОЗУ. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычисления, передавались на устройство вывода (УВыв). В качестве УВыв использовались: экран дисплея, принтер, графопостроитель и т.д.

Как видно из приведенной выше структурной схемы, ЭВМ первого поколения имели сильную централизацию. Устройство управления отвечало не только за выполнение команд, но и контролировало работу устройств ввода и вывода данных, пересылку данных между запоминающими устройствами и другие функции ЭВМ. Также были жестко стандартизированы форматы команд, данных и циклов выполнения операций.

Все это позволяло несколько упростить аппаратуру ЭВМ, ужасно сложную, громоздкую и без изысков организации
вычислительного процесса, но значительно сдерживало рост их производительности.

Первая ЭВМ на электронных лампах была создана в США и называлась ЭНИАК. Она оказала существенное влияние на направление развития вычислительной техники. Вскоре, за примером США последовали и многие другие промышленно-развитые страны (Великобритания, Швейцария, СССР и др.), уделявшие развитию вычислительной техники в послевоенный период много внимания.

Однако, наибольшее значение в развитии вычислительной техники оказали исследования, проводимые в США, СССР и Великобритании. В других же странах, например во Франции, ФРГ, Японии, ЭВМ, относящиеся к первому поколению, не получили серьезного развития. В частности, для ФРГ, Испании и Японии даже трудно отделить рамки перехода от ЭВМ первого поколения к ЭВМ второго поколения, так как, наряду с первыми ламповыми ЭВМ, в конце пятидесятых годов начинали создаваться и первые ЭВМ на полупроводниковой основе.

Если брать в расчет формальный признак — элементную базу, то первой ЭВМ на электронных лампах была секретная британская машина «Колосс» (Colossus computer), которую в 1943 году методом интеллектуально-трудового героизма, присущего военному периоду, сделали для дешифровки перехваченных германских радиограмм. Однако вряд ли эту машину можно отнести к ЭВМ в классическом смысле этого термина. «Колосс», хоть и обладал изумительным по тем временам быстродействием, мог решать лишь очень ограниченный и чрезвычайно специфический класс задач.

Американские пожиратели электричества

В США первая ламповая ЭВМ появилась в 1946 году. Ее разработка началась в 1943 году в Пенсильванском университете (University of Pennsylvania), получившем заказ от Баллистической исследовательской лаборатории министерства обороны США (US Army Ballistic Research Lab). Группой разработчиков, в которую входили десять инженеров и двести техников, руководили профессор Джон Моучли (John Mauchly , 1907-1980) и молодой выпускник университета Джон Преспер Эккерт (John Presper Eckert , 1919-1995). Машина, которая получила название ENIAC — Electronical Numerical Integrator and Calculator (Электронно-цифровой интегратор и вычислитель), состояла из восемнадцати тысяч ламп и полутора тысяч реле. Этот монстр занимал помещение площадью 120 кв.м, имел объем 720 куб.м, весил 30 т и потреблял 150 кВт электроэнергии.

Несмотря на то, что в ENIAC была мизерная память (20 триггерных регистров), за счет изощренной арифметики (аппаратное умножение, деление и извлечение) ЭВМ работала существенно быстрее релейных машин. В секунду производилось пять тысяч сложений и триста умножений. Данные поступали на обработку с перфокарт и выводились на карточный перфоратор. Поскольку тысячи электронных ламп выделяли громадную тепловую энергию, в машине использовалась мощная система охлаждения. Но и это не спасало от постоянного перегорания ламп. При отсутствии эффективных диагностических средств техникам приходилось беспрерывно и подолгу отыскивать отказавшие элементы.

ENIAC имела и еще одну неприятную особенность, которая не позволяет отнести эту машину к ЭВМ первого поколения. Ее программа не хранилась в оперативной памяти, а жестко задавалась при помощи шести тысяч перемычек на сорока коммутационных панелях. На каждое перепрограммирование ENIAC уходило не менее двух дней.

Следующей разработкой Моучли и Эккерта, которую они выполнили для компании Sperry Rand , стал знаменитый UNIVAC I (Universal Automatic Computer). Это была первая коммерческая ЭВМ, запущенная в серию в 1951 году. Первым ее заказчиком, выложившим $1,6 млн, стало статистическое агентство, которое использовало UNIVAC для переписи населения страны. Данная разработка была значительно успешнее предыдущей в техническом отношении: при меньшем в три раза числе ламп она имела в два раза большее быстродействие. Поскольку требовалось обрабатывать громадные объемы информации, машину укомплектовали внешним накопителем на магнитной ленте объемом 12 Мбайт. Sperry Rand выпустила более пятидесяти машин этой серии, последняя из них проработала до 1965 года.

Несмотря на то, что UNIVAC, в отличие от ENIAC, уже хранил программу в оперативной памяти, и он не является первой ЭВМ первого поколения. Тут американцев обошли англичане. Причем, сами же американцы этому и способствовали.

Английский энтузиаст

История создания этого самого первенца выглядит, можно сказать, невероятно. Потому что его разработкой совершенно случайно занялся человек, не имевший отношения к компьютерам. Астрофизик Морис Винсент Уилкс (Maurice Vincent Wilkes , р. 1913) занимался в Кембридже проблемой распространения радиоволн в ионосфере. Работа требовала большого объема вычислений, и он был вынужден производить их на допотопном арифмометре. Однажды, было это в 1946 году, знакомый ученый дал Уилксу на ночь ксерокопию 100-страничной статьи венгерского математика Джона фон Неймана (John von Neumann , 1903-1957), уже перебравшегося к тому времени в Принстон, в которой тот теоретически описывал некую ЭВМ EDVAC и постулировал оптимальный способ управления процессом вычисления при помощи программы, хранимой в памяти вместе с данными.

Группа разработчиков британского компьютера EDSAC. Фото (Creative Commons licence): Copyright Computer Laboratory, University of Cambridge. Reproduced by permission

Утром Уилкс дал себе слово, что сделает такую машину. Вскоре он отправился в Пенсильванский университет и прослушал курс лекций Моучли и Эккерта, которые тогда только что завершили разработку ENIAC. Впоследствии он вспоминал об этом вояже так: «Я возвращался с убежденностью, что знаю о вычислительных машинах всё, что следует знать… и начал набрасывать эскиз будущей машины на борту «Куин Мэри» по пути домой. Мне хотелось, чтобы она была простой и удобной для пользователей; это должна была быть машина последовательного действия, скромная по размерам и в основе своей повторяющая EDVAC».

Вернувшись, Уилкс сколотил команду единомышленников из ученых-электронщиков и начал собирать классическую машину. С логическими схемами было все ясно — они собираются на электронных лампах. С оперативной памятью оказалось сложнее. Для хранения в ней не только данных, но и программы требовался значительный ее объем. При построении памяти на лампах резко возрастали габариты машины и снижалась надежность. И тогда было решено создать ее на ртутных ультразвуковых линиях задержки, которые были разработаны астрофизиком и специалистом по радарам Томасом Голдом (Thomas Gold , 1920-2004). Принцип действия такой памяти заключается в том, что информация (единички и нолики) непрерывно циркулирует по замкнутому циклу, и в квантованные моменты считывается, перезаписывается либо регенерируется.

Работа продолжалась два с половиной года в выделенной ректоратом для этой цели бывшей препараторской анатомической школы Кембриджского университета. Летом люди задыхались от испарений въевшегося в пол формалина, но работу не прекращали. И весной 1949 года машина, получившая название EDSAC, была готова. Она стала первой в мире действующей и практически используемой ЭВМ с хранимой программой.

Ее параметры были таковы. Тактовая частота — 500 кГц. Объем ОП — 512 36-разрядных машинных слов. Командный набор состоял из 18 одноадресных команд. Время сложения — 1,4 мс, а умножения — 5,4 мс. Ввод данных и программ осуществлялся с 5-канальной бумажной перфоленты, результаты вычислений печатались принтером телетайпа. Машина содержала около 3000 ламп, потребляла 12 кВт и занимала комнату площадью 20 кв. м.

Затем Уилкс, на личном опыте убедившись в трудоемкости программирования в машинных кодах, начал оптимизировать этот процесс. С группой единомышленников он разработал первый в мире Ассемблер , а также проработал механизм комфортного использования подпрограмм, собранных в библиотеку. В конце концов Уилкс, Уиллер и Гилл издали первый в мире учебник по программированию, который был переведен на многие языки мира, включая и русский.

В 1957 году Уилкс выпустил следующую модель ЭВМ — EDSAC II, которая использовала предложенный кембриджским уникумом эффективный принцип микропрограммирования. Это стало возможно благодаря тому, что в мире к тому времени появилась ферритовая память существенно больших объемов, чем память на линиях задержки. Суть принципа такова. Машинные команды управляют обработкой данных в процессоре и осуществлением процедур ввода-вывода информации. До Уилкса «сценарии» отработки команд задавались жестко, при помощи паяных электрических схем. Микропрограммы же, хранящиеся в постоянной памяти (ПЗУ) представляют собой «сценарий» работы каждой машинной команды.

Еще одна уникальная британская ЭВМ — Ferranti Mark I — была разработана в 1951 году в Манчестерском университете очень сильной командой, в которую вошли Томас Килбёрн (Thomas Kilburn , 1921-2001), Фредерик Кэлланд Уильямс (Frederick Calland Williams , 1911-1977), Макс Герман Александр Ньюмен (Max Herman Alexander Newman , 1897-1984), Алан Тьюринг (Alan Turing , 1912-1954). В ней в качестве оперативной памяти было применено изобретенное Уильямсом запоминающее устройство на электронно-лучевой трубке, получившее название «трубка Уильямса».

В качестве запоминающей среды в ней используется покрытый люминофором экран, который электронный пучок при сканировании «долбит» единичками и нулями. Люминофор сохраняет свечение каждой заряженной точки на какой-то промежуток времени. Для того чтобы информация не «угасала», ее необходимо регенерировать через 30 мс. Электронный пучок сканирует экран, производя запись изменяемой информации и постоянно регенерируя неизменяемую. Считывание информации осуществляется при помощи электродов, расположенных с внешней стороны экрана. Данное изобретение позволило при значительной плотности хранения информации (до 2 килобит на 6-дюймовой ЭЛТ) резко сократить время выборки, которое стало равно 30 микросекундам.

Самой «продвинутой» ламповой машиной в аппаратном отношении стал WhirlWind-1 (Вихрь-1), разработанный в 1953 году в при участии Джона фон Неймана. В «Вихре» впервые была использована оперативная память на ферритовых сердечниках. Такая память не только пережила машины первого поколения, но и использовалась во всех машинах второго, транзисторного, поколения. Для ввода и вывода информации использовались клавиатура и дисплей на ЭЛТ, что стало также прорывом в будущее. И быстродействие у машины было отменным.

Самой быстрой серийной ЭВМ была IBM701, выпущенная в 1953 году. «Вихрю» она уступала в скорости в два раза. Однако корпорация, вскоре ставшая компьютерным монстром, смогла продать лишь 9 экземпляров IBM701. Затем появилась 704-я модель с ферритовой памятью объемом 8192 слов по 36 бит, оснащенная алгоритмическим языком высокого уровня Фортран. И фирма по производству табуляторов стала господствовать на компьютерном рынке. Последней ламповой машиной IBM стал суперкомпьютер Stretch , который в 1955 году установили в ядерной лаборатории Лос-Аламоса (Los Alamos National Laboratory). Самой же быстрой серийной машиной мира принято считать айбиэмовский NORC , предназначенный для баллистических расчетов и делающий 20 тыс. операций в секунду.

Советский Союз начал разрабатывать первую ламповую машину в 1948 году. Происходило это в Киеве, в Институте электроники Академии наук Украины под руководством будущего академика Сергея Алексеевича Лебедева (1902-1974). Машина, получившая название МЭСМ (Малая электронная счетная машина), была сдана в эксплуатацию в декабре 1951 года.

Объем триггерной памяти МЭСМ составлял 94 20-разрядных слов. Система команд — трехадресная. Представление данных — с фиксированной запятой. Быстродействие — 3000 трехадресных операций в секунду. Машина состояла из 5 тыс. ламп, занимала площадь в 60 кв.м. и потребляла 25 кВт. Ввод данных — с перфокарт и коммутационной панели. Вывод результатов — на печатающее устройство. Был и еще один способ съема информации, нигде и никогда более в мире не применявшийся, — при помощи фотографирования!

Вскоре Лебедева перевели в Москву, в (ИТМиВТ), где он начал разрабатывать БЭСМ (Быстродействующую ЭСМ). Параллельно с этим в московском СКБ-245 (впоследствии НИИ электронного машиностроения, а затем НИИ «Аргон») под руководством Юрия Яковлевича Базилевского (1912-1983) начали создавать ЭВМ «Стрела» . «Стрела» и БЭСМ были одновременно, в 1953 году, представлены на госкомиссию. Несмотря на то, что разработка Лебедева была перспективнее (что впоследствии подтвердила история), «Стрела» была запущена в серию, и ее разработчики получили сталинскую премию.

А БЭСМ, существовавшую в единичном экземпляре, направили в Вычислительный центр Академии наук . Через год Лебедев довел производительность машины до 10 тыс. операций в секунду, в связи с чем БЭСМ стала самой мощной машиной в Европе. Она имела очевидные преимущества перед выигравшей у нее тендерное сражение «Стрелой». Память на ферритах против памяти на электронно-лучевых трубках. Большая производительность. Меньшее число использованных электронных ламп, что приводило к большей надежности. И, наконец, наличие системы тестов, позволявших сократить время устранения неполадок.

Совминовские бюрократы в конце концов поняли, что поставили не на ту лошадь. И вскоре было решено доверить разработку следующей быстродействующей машины М-20 фирме Лебедева. И при этом СКБ-245 вменили в обязанность подсобные задачи — оформлять лебедевскую документацию и отлаживать опытный образец М-20. В 1958 году машину запустили в серию с формулировкой «самая быстродействующая ЭВМ в мире». Заявление хоть и спорное, но не столь уж и далекое от истины. М-20 делала в секунду 20 тыс. операций, как и IBM NORC. Но при этом наша машина имела ферритовую оперативную память вдвое меньшую, чем американская, — 4096 слов. Однако за счет оригинальных структурных решений разработчикам М-20 удалось организовать обмен информации с медленным внешним запоминающим устройством, магнитным барабаном, таким образом, что барабан играл роль виртуальной оперативной памяти, не тормозившей процесс вычисления. К еще одному неоспоримому достоинству отечественной машины следует отнести то, что в ней использовалось впятеро меньше электронных ламп.

Судьба догоняющего находится в руках тех, кого догоняют. Стоило нам воспроизвести «вражескую» ЭВМ и даже превзойти её, как американская промышленность сделала качественный рывок вперед — появились схемы на полупроводниках. Пока правительство Советского Союза вкладывало средства в совершенствование ламповых компьютеров, в США их уже считали морально устаревшими и готовили им замену. В условиях быстрой смены поколений компьютеров принцип сталинских времен «не надо лучше, сделайте точно такую же, только лучше!» приводил к великолепному воплощению зарубежной техники, для которой на Западе уже отводили место в музее.

Новости партнёров