Тема XIV: ИНЖЕНЕРНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В ОБЛАСТИ ИНФОРМАТИКИ: СУЩНОСТЬ, ОСНОВЫ, ПРОШЛОЕ И НАСТОЯШЕЕ

Тема XIV: ИНЖЕНЕРНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В ОБЛАСТИ ИНФОРМАТИКИ: СУЩНОСТЬ, ОСНОВЫ, ПРОШЛОЕ И НАСТОЯШЕЕ

Термин «информатика», который используется для обозначения совокупности научных направлений, связанных с появлением компьютеров и их стремительным вхождением в ноосферу, относительно новый. Он получил «права гражданства» в начале 80-х гг. ХХ в. До этого, согласно определению Большой советской энциклопедии, информатика рассматривалась как дисциплина, изучающая структуру и общие свойства научной информации, закономерности ее создания, преобразования, передачи и использования в различных сферах человеческой деятельности. Подобное определение связывало информатику, прежде всего, с библиотековедением, библиографией, методами поиска информации в массивах документов.

То, что стало сегодня называться информатикой, совершенно иное. Ближе всего содержание этого понятия подходит к тому, что в большинстве стран называется «компьютерные науки». Они концентрируют свое внимание на различных аспектах, связанных с протеканием и использованием информационных процессов, с теми сотрудниками, которым представляется информация, и теми процедурами, которые применяются при ее переработке. В их область включается и разработка теорий машин – компьютеров – и методов их использования в системах переработки информации.

Поэтому, говоря об истории информатики, по сути, надо излагать историю кибернетики, в том числе и отечественной, частично прикладной математики, а также вычислительной техники.

Целью настоящей лекции является изложение истории зарождения механических, электромеханических и электронных устройств, нацеленных на выполнение массовых вычислений, зарождения, становления и развития кибернетики, а затем и информатики.

1. Сущность кибернетики – информатики, их основы.

2. Становление и развитие вычислительной техники как основы кибернетики – информатики.

Длительное время совокупность научных направлений, называемых теперь информатикой, именовались по-разному. Сначала объединяющим был термин «кибернетика», затем общим названием той же области исследований стала «прикладная математика». Ясно одно, что кибернетика – интегральное научное направление и как таковое в значительной степени базируется на знаниях и идеях, накопленных в рамках большого числа различных дисциплин, развивающихся независимо друг от друга. Необходимо выделить то, что можно называть кибернетики, рассмотреть состояние соответствующих знаний к моменту зарождения идей, которые допустимо именовать кибернетическими.

Известно, что термин «кибернетика» дал обозначение науке об управлении общественными системами, который использовали греческий философ Платон (428–348 гг. до н.э.), французский физик А. М. Ампер (1775–1836), польский ученый Ф. Бронислав Тренповский (1808–1869) – ученик Гегеля. Он происходит от греческого «кюбернетес», что первоначально значило «рулевой», «кормчий», но впоследствии стало обозначать и «правитель над людьми». Платон в своих сочинениях в одних случаях называет кибернетикой искусство управления кораблем или колесницей, а в других – искусство править людьми. Примечательно, что римлянами слово «кюбернетес» было преобразовано в «губернатор». А. М. Ампер в своей работе «Опыт о философии наук, или Аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний», (первая часть вышла в 1834 г.) назвал кибернетикой науку о текущем управлении государством (народом), которая помогает правительству решать конкретные проблемы с учетом разнообразных обстоятельств в свете общей задачи – принести стране мир и процветание. Термин «кибернетика» вскоре был забыт, и возрожден в 1948 г. Норбертом Винером в качестве названия науки об управлении техническими, биологическими и социальными системами. Общепринятой датой рождения кибернетики, как самостоятельной науки, считается 1948 год – год публикации книги Н. Винера (1894–1964) «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». Одна из основных идей книги – наличие аналогии в процессах управления и связи машин, живых организмов и сообществ, поскольку в них происходит передача, запоминание и преобразование информации, т.е. сигналов различной природы и назначения. В своей «Кибернетике» Н. Виннер сформулировал две фундаментальные идеи: о едином подходе к различным процессам управления и об информации как одной из важнейших характеристик материи.

Формирование кибернетики как науки было подготовлено предшествующим развитием знаний в различных областях, а также практическими достижениями в техники. Из рассматриваемых кибернетикой принципов и концепций наиболее длительную историю, по-видимому, имеют принцип обратной связи и концепция общности живого организма и машины. Первой убедительной технической реализацией принципа обратной связи можно назвать маятниковые часы, изобретенные Х. Гюйгенсом (1657) или более раннее устройство - водяная мельница, рассмотренная в книге А. Рамелли «Различные искусственные машины» (1588).

Теория общности процессов в живом организме и машинах основывается на идеях Р. Декарта, сформулированных в «Трактате о человеке» (1649), и механических концепциях Ж. Ламетри, изложенных в его работе «Человек-машина». Теория искусственного интеллекта, отправной точкой которой является общность живых организмов и машин, также восходит к весьма отдаленным во времени представлениям. Например, идеей о возможности технической реализации умственных процессов руководствовался Б. Паскаль создавая свою суммирующую машину (1641). Еще более ранней по времени является идея механического устройства для получения разумной и новой по содержанию информации. Подобное весьма простое устройство, обеспечивающее механическое сочетание различных слов («вертушка Луллия»), было сконструировано испанским философом и богословом Р. Луллием (1235–1315). Длительную историю имеет также развитие математических идей и методов, которые подготовили теоретическую базу кибернетики.

В целом предыстория кибернетики включает весьма обширный круг научных открытий, идей и технических достижений. Создание кибернетики стало одним из наиболее впечатляющих проявлений тенденций к интеграции наук. Среди дисциплин, достижения которых были использованы при формировании кибернетики, важное место занимает теория автоматического регулирования. Эта теория связана с именами Дж. Максвелла (1831–1879), И. А. Вышнеградского (1832–1895), А. М. Ляпунова (1875–1918), А. Стодолы (1859–1942) и других ученых. Не менее важную роль в формировании кибернетики сыграло развитие ряда разделов физиологии, в частности, теории условных рефлексов и исследования механизма обратных связей в биологических системах. Огромный вклад в эти направления был сделан, прежде всего, И. П. Павловым (1849–1936) исследованиями в области условных рефлексов, Н. А. Бертейном (1929) и П. К. Анохиным (1935) работами в области обратных связей.

Математические основы кибернетики были заложены предшествующим развитием теории вероятности, математической статистики и математической логики. Важную роль сыграли исследования в области физики таких ее разделов, как термодинамика статистической физики. К области техники, оказавшим непосредственное влияние на формирование кибернетики, следует отнести энергетику, технику связи, автоматику и вычислительную технику, которая после создания ЭВМ сыграла исключительную роль в последующем развитии кибернетической техники.

Параллельно с развитиемсамих научных дисциплин, влиявщих на формирование кибернетики, имели место поиски общих черт, характеристик и закономерностей функционирования объектов, исследуемых физикой, химией, биологией и экономическими науками. Эти поиски исторически предшествовали cозданию двух научных направлений: общей теории систем и кибернетики.

Другое направление формирования кибернетики связано с вычислительной техникой и математической логикой. В программе создания вычислительных машин, проводимой в США В. Бушем, принимал участие Корберт Винер, который в 1940 г. детально изучил возможности разработки вычислительной машины для решения дифференциальных уравнений в частных производных. Счетно-решающая техника привлекала его внимание с точки зрения общности в ее нервных сетей. Важным показателем такой общности явилось применение аппарата математической логики к анализу данных процессов, что в перспективе могло рассматриваться как первый шаг на пути моделирования не только нервной деятельности, но и мышления.

Следует заметить, что концепция общности процессов в вычислительных машинах на релейных схемах и в нервной системе, разделяемая Н. Винером и обїединив вокруг него группой ученых, обсуждалась совместно с конструкторами цифровых вычислительных машин Г. Айкеном и Г. Голдстайном, а также с математиком Дж. фон Нейманом.

Вместе с тем необходимо иметь ввиду, что личная роль Н. Винера в формировании кибернетики существенно отличается, например, от роли Эйнштейна в разработке специальной и общей теории относительности или Менделеева в построении периодической системы элементов. Кеплер, Ньютон, Дарвин, Менделеев, Павлов, Эйнштейн и некоторые другие великие ученые создали в известном смысле «завершенные» (для определенного уровня развития науки) фундаментальные теории.

Норберт Винер предложил ряд идей и концепций, частично опирающихся на точные результаты, частично – на предположения и аналогии. Вклад Винера в формирование кибернетики как точной науки (если рассматривать последнюю только как систему точных результатов), по-видимому, не превышает вклада ряда его современников (хотя подобные оценки в «целом» всегда спорны). Из зарубежных ученых это в первую очередь Дж. фон Нейман (1903–1957), оказавший глубокое влияние на создание теории автоматов, теории игр и теории цифровых вычислительных машин; А. Тьюринг (1912–1954), который внес выдающийся вклад в формирование теории алгоритмов и получил важные результаты в области математической логики, проектирования ЭВМ и программирования; К. Шеннон, с именем которого во многом связано создание теории информации и теории автоматов и другие.

Ряд крупнейших результатов получен советской школой кибернетики, сложившейся в конце 1950 – начале 60-х гг. В 1959 г. в СССР был создан научно-организационный центр, осуществляющий координацию важнейших научно-исследовательских работ по кибернетике, – научный совет по комплексной «кибернетике» АН СССР, председателем которого со дня основания являлся адмирал А. И. Берг (1893–1979). Имена выдающихся советских ученых – А. А. Андропова (1901–1952), В. М. Глушкова (1923–1982), Л. В. Канторовича, А. Н. Колмогорова (1903–1978), С. А. Лебедева (1902–1974), А. А. Ляпунова (1911–1973), Л. А. Маркова (1903–1979), Л. С. Понтрягина, М. Л. Цетлина (1924–1966) и других – прочно вошли в историю кибернетики, существенно повлияли на общий ход ее развития.

Например, выдающийся вклад в кибернетику, вычислительную технику и математику академика В. М. Глушкова, работающего в УССР, высоко оценен еще при жизни ученого. Он сумел объединить обширные знания в одно научное направление – информатику – и стал основоположником этой науки в республике. Благодаря усилиям В. М. Глушкова был создан Институт кибернетики НАН Украины, в котором в 1960–70-е гг. были развернуты фундаментальные и прикладные исследования, составившие в совокупности то, что сейчас называется информатикой. В 1996 г. международное компьютерное общество (ІЕЕЕ Computer Society) за основание первого в СССР Института кибернетики НАН Украины, создание теории цифровых автоматов и работы в области макроконвейерных архитектур вычислительных машин присудило В. М. Глушкову медаль «Пионер компьютерной техники».

Большой вклад в развитие информатики внесли также ученые Украины Е. Л. Ющенко, В. Л. Рабинович, Ю. В. Капитонова, А. А. Летичевский и др.

В бывшем СССР, в том числе и в Украине, понятие «вычислительная техника» долгое время использовалось как для обозначения технических средств, так и для науки о принципах их построения и проектирования.

Можно считать, что «основы» кибернетики были заложены во второй половине ХІХ в. и существовали сравнительно самостоятельно до конца первой половины ХХ в. Они представляют собой как элементы чисто инженерного знания, так и некоторые локальные обобщения – результат развития теоретического знания в отдельных естественно-научных и научно-технических дисциплинах. К ним относятся:

? системы автоматического регулирования и управления, теория автоматического регулирования;

? элементы моделирования и локальные теории моделей для различных областей техники;

? счетно-решающие машины и математические инструменты;

? цифровые вычислительные машины;

? элементы программирования для ЦВМ;

? релейно-контактные схемы управления и защиты, элементы теории релейно-контактных схем;

? средства связи и некоторые вопросы теории связи;

? биомедицинские исследования - биомеханика, общая физиология, физиология высшей нервной деятельности;

? вопросы административного и производственного управления, элементы общей теории систем;

? элементы психологии труда и инженерной технологии;

? математическая логика как часть математики.

Следует отметить, что своеобразным знаком завершения начального этапа развития кибернетики стало издание в середине 1970-х гг. двухтомной энциклопедии и толкового словаря по кибернетике. Обе книги были подготовлены и выпущены в свет по инициативе В. М. Глушкова, который привлек к работе над этими изданиями многих специалистов не только из руководимого им института, но и из других ведущих в этой области организаций страны. После 1982 г. «Словарь по кибернетике» был выпущен повторно. Через несколько лет, знаменуя новый этап в развитии информатики, вышли толковый словарь и трехтомный справочник по искусственному интеллекту, опубликован энциклопедический словарь по информатике, согласно которому разделы «Кибернетика» и «Искусственный интеллект» вошли, наряду с другими разделами, в состав информатики.

В 1986 г. вышел сборник с символическим названием «Кибернетика. Становление информатики». Он открывался статьями президента АН СССР А. П. Александрова и вице-президента Е. П. Велихова, в которых говорилось об определяющем значении информатики для развития человеческого общества в грядущем столетии. В этом же сборнике помещены статьи наиболее авторитетных ученых и организаторов науки в области информатики. Основная идея авторов статей состояла в том, что информатика уже оторвалась от своей прародительницы кибернетики и стала самостоятельной научной дисциплиной.

Характеризуя информатику 1980-х гг., один из ведущих специалистов в области теоретического и системного программирования А. П. Ершов (1931-1988) пишет: «…этот термин слова, уже в третий раз, вводится в русский язык в новом и куда более широком значении – как название фундаментальной естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации» и несколько далее подчеркивает, что информатика определяется как «наука об информационных моделях, обретающих фундаментальное философское понятие «информация».

Термин «информатика» получает широкое распространение, а термин «кибернетика» исчезает из обращения, сохранившись лишь в названиях тех институтов, которые возникли в эпоху «кибернетического бума» конца 1950 - начала 60-х гг. В названиях новых организаций термин «кибернетика» уже не используется.

Информатика как отрасль науки изучает структуру и общие свойства научной информации, а также вопросы, связанные с ее сбором, хранением, поиском, переработкой, преобразованием, распространением и использованием в различных сферах человеческой деятельности, и состоит из множества разделов знаний. К ним можно отнести:

? теорию алгоритмов (формальные модели алгоритмов, проблемы вычислимости, сложность вычислений и т.п.);

? логические модели (дедуктивные системы, сложность вывода, нетрадиционные исчисления - индуктивный и абдуктивный вывод, вывод по аналогии, правдоподобный вывод, немонотонные рассуждения и т.п.);

? базы данных (структура данных, ответы на запросы, логический вывод в базах данных, активные данные и т.п.);

? искусственный интеллект (представления знаний, вывод на знаниях, обучение, экспертные системы и т.п.);

? бионика (математические модели в биологии, модели поведения, генетические системы и алгоритмы и т.п.);

? расположение образов и обработка зрительных сцен (статистические методы распознания, использование призрачных пространств, теория распознающих алгоритмов, трехмерные сцены и т.п.);

? теория роботов (автономные роботы, представление знаний о мире, децентрализованное управление, планирование целесообразного поведения и т.п.);

? инженерия математического обеспечения (языки программирования, технологии создания программных систем, инструментальные системы и т.п.);

? теория компьютеров и вычислительных сетей (архитектурные решения, многосчетные системы, новые принципы переработки информации и т.п.);

? компьютерная лингвистика (модели языка, анализ и синтез текстов, машинный перевод и т.п.);

? числовые и символьные вычисления (компьютерно-ориентированные методы вычислений, модели переработки информации в различных прикладных областях, работа с естественно-языковыми текстами и т.п.);

? системы человеко-машинного взаимодействия (модели дискурса, распределение работ в смешанных системах, организация коллективных процедур, деятельность в телекоммуникационных системах и т.п.);

? нейроматематика и нейросистемы (теория формальных нейронных сетей, использование сетей для обучения, нейрокомпьютеры и т.п.);

? использование компьютеров в замкнутых системах (модели реального времени, интеллектуальное управление, системы мониторинга и т.п.).

Информатика есть естественное порождение науки ХХ века. Она глубоко пронизывает все сферы человеческой жизни. Информатика прошла за полвека огромный путь отделяющий нынешнее время от начала эпохи компьютеров, без которых люди уже не представляют своей жизни.

История формирования кибернетики, а затем и информатики тесно связана с вычислительной техникой, математической логикой. Эта история богата на имена, события, факты и прошла несколько этапов становления и развития.

В доисторическом прошлом люди считали на пальцах или делали насечки на костях. Примерно около 4 тыс. лет назад, на заре человеческой цивилизации, были изобретены уже довольно сложные системы исчисления, позволявшие осуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Несколько тысячелетий спустя появились первые ручные вычислительные инструменты. А в наши дни сложнейшие вычислительные задачи, как и множество других операций, казалось бы, не связанных с числами, решаются при помощи «электронного мозга» - компьютера.

Закладка фундамента компьютерной революции происходила медленно и далеко не гладко. Отправной точкой этого процесса можно считать изобретение счетов, сделанное более 1500 лет назад, по-видимому, в странах Средиземноморья. Этим нехитрым устройством купцы пользовались для своих расчетов. Счеты оказались очень эффективным инструментом и вскоре распространились по всему миру, а в некоторых странах применяются и по сей день. Вплоть до ХVII в., ознаменовавшегося невиданным подъемом творческой мысли, счеты как вычислительный инструмент оставались практически вне конкуренции. В течение почти пяти веков цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами, основой для их изобретения было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию десяти цифр десятичной системы исчисления. Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами принадлежит Леонардо да Винчи. Он был сделан в одном из его дневников (ученый начал вести дневник еще до открытия Америки в 1492 г.).

В 1623 г., через 100 с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи, немецкий ученый Вильгельм Шиккард предложил свое решение той же задачи на основе шестирядного десятичного вычислителя, состоявшего также из зубчатых колес и рассчитанного на выполнение сложения, вычитания, а также табличного умножения и деления. Оба проэкта были обнаружены лишь в наше время и оба остались только на бумаге.

Заметный след в истории оставило изобретение Джоном Непером логарифмов, о чем сообщалось в публикации 1614 г. Его таблицы, расчет которых требовал очень много времени, позже были «встроены» в удобное устройство, чрезвычайно ускоряющее процесс вычисления, – логарифмическую линейку. Она была создана в конце 20-х годов ХVII в. В 1617 г. Непер придумал и другой способ перемножения чисел. Инструмент, получивший название «костяшки Непера», состоял из набора сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах, получали результат их умножения.

Теории логарифмов Непера суждено было найти обширное применение. Однако его «костяшки» вскоре были вытеснены логарифмической линейкой и другими вычислительными устройствами, в основном, механического типа. Первым изобретателем их стал гениальный француз Блез Паскаль. Сын сборщика налогов, наблюдая бесконечные утомительные расчеты отца, задумал построить вычислительное устройство. Суммирующая машина Паскаля, «паскалина», представляла собой механическое устройство – ящик с многочисленными шестеренками. Приблизительно за десятилетие он построил до 50 различных вариантов машины. Хотя «паскалина» вызвала всеобщий восторг, она не принесла изобретателю богатства. Основной недостаток «паскалины» состоял в неудобстве выполнения на ней всех операций, за исключением простого сложения. Тем не менее изобретенный им принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство вычислительных машин на протяжении следующих трех столетий. Первая машина, позволявшая легко производить вычитание, умножение и деление, была изобретена в том же ХVII в. в Германии Готфридом Вильгельмом Лейбницом.

В 1672 г., находясь в Париже, Лейбниц познакомился с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Видя, как много вычислений приходится делать астроному, он решил изобрести механическое устройство, которое облегчило бы расчеты. «Поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины», – заметил Лейбниц.

В 1673 г. он изготовил механический калькулятор. «Арифметический прибор» Готфрида Вильгельма Лейбница – двенадцатиразрядное десятичное устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение и деление, для чего, в дополнение к зубчатым колесам использовался ступенчатый валик. «Моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно» - с гордостью писал Лейбниц своему другу. Но прославился он прежде всего не этой машиной, а созданием дифференциального и интегрального исчисления. Он заложил также основы двоичной системы счисления, которая позднее нашла применение в автоматических вычислительных устройствах.

Прошло еще более ста лет и лишь в конце ХVIII в. во Франции были осуществлены следующие шаги, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники – «программное» управление ткацким станком с помощью перфокарт, созданным Жозефом Жакаром, и технология вычислений при ручном счете, предложенная Гаспаром де Прони, который разделил численные вычисления на три этапа: разработка численного метода, составление программы последовательности арифметических действий, приведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программой.

Эти два новшества были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим качественно новый шаг в развитии средств цифровой вычислительной техники – переход от ручного к автоматическому выполнению согласно составленной программе. Им был разработан проект аналитической машины – механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина включала пять устройств – арифметическое (АУ), запоминающее (ЗУ), управления, ввода (как и первые ЭВМ появившиеся 100 лет спустя). АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на 1000 50-разрядных чисел!). Для ввода данных и программы использовались перфокарты. Предполагаемая скорость вычислений: сложение и вычитание за 1 с., умножение и деление – за 1 мин. Помимо арифметических операций имелась команда условного перехода. Программы для решения задач на машине Беббиджа, а также описание принципов ее работы были составлены Адой Августой Лавлейс – дочерью Байрона.

Были изготовлены отдельные узлы машины. Всю машину из-за ее громоздкости построить не удалось. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более 50 тыс. Заставить такую махину работать можно было только с помощью паровой машины, что и намечал Беббидж. Гениальную идею Беббиджа осуществил Говард Айкен, американский ученый, создавший в 1944 г. первую в США релейно-механическую ВМ – Марк – I. Ее основные блоки – арифметики и памяти были использованы на зубчатых колесах! Если Беббидж намного определил свое время, то Айкен, использовал все те же зубчатые колеса, т.е. в техническом плане при реализации идеи Беббиджа использовал устаревшие решения. Еще десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать (у себя дома) цифровую вычислительную машину с программным управлением и с использованием – впервые в мире! – двоичной системы счисления. В 1937 г. машина Z1 (Цузе 1) заработала! Она была двоичной, 22-х разрядной, с плавающей запятой, с памятью на 64 числа и все это на чисто механической (рычажной) основе! В том же 1937 г., когда заработала первая в мире двоичная машина Z1, Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированной ВМ, впервые в мире применив электронные лампы (300 ламп).

Пионерами электроники оказались и англичане – в 1942-43 гг. в Англии была создана (с участием Алана Тьюринга) ВМ «Колос». В ней было 2 тыс. электронных ламп! Машина предназначалась для расшифровки радиограмм германского вермахта.

Работы Цузе и Тьюринга были секретными. О них в то время знали немногие. Они не вызывали какого-либо резонанса в мире. И только в 1946 г., когда появилась информация об ЭВМ «ЭНИАК» (электронный цифровой интегратор и компьютер), созданной в США Д. Мочли и П. Эккертом, перспективность электронной техники стала очевидной. (В машине использовалось 18 тыс. электронных ламп и она выполняла около трех тысяч операций в секунду). Однако машина осталась десятичной, а ее память составляла лишь 20 слов. Программы хранились вне оперативной памяти.

Завершающую точку в создании первых ЭВМ поставили почти одновременно, в 1949-1952 гг. ученые Англии, Советского Союза и США (Морис Уилкс, ЭДСАК, 1949 г. Сергей Лебедев, МЭСМ, 1951 г., Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман ЭДВАК, 1952 г.), создавшие ЭВМ с хранимой в памяти программой.

В истории вычислительной техники есть немало интересных фактов и событий. К ним относится забытая «Мыслительная машина» профессора А. Н. Щукарева. В апреле 1914 г., за четыре месяца до начала Первой мировой войны профессор Харьковского технологического института Александр Николаевич Щукарев по просьбе Политехнического музея приехал в Москву и прочитал лекцию «Познание и мышление». Лекция сопровождалась демонстрацией созданной А. Н. Щукаревым «машины логического мышления», способной механически осуществлять простые логические выводы на основе исходных смысловых посылок. Лекция имела большой резонанс. Присутствовавший на ней профессор А. Н. Соков откликнулся статьей с провидческим названием «Мыслительная машина» (журнал «Вокруг света», № 18, 1914 г.), в которой написал: «Если мы имеем арифмометры, складывающие, вычитающие, умножающие миллионные числа поворотом рычага, то, очевидно, время требует иметь логическую машину, способную делать логические выводы и умозаключения одним нажиманием соответствующих клавиш. Это сохранит массу времени, оставив человеку область творчества, гипотез, фантазии, вдохновения – душу жизни».

«Машина логического мышления» А. Н. Щукарева представляла собой ящик высотой 40, длиной – 25 и шириной 25 см. В машине имелись 16 штанг, приводимых в движение нажатием кнопок, расположенных на панели ввода исходных данных (смысловых посылок). Кнопки воздействовали на штанги, те на световое табло, где высвечивался (словами) конечный результат (логические выводы из заданных смысловых посылок).

А. Н. Щукарев родился в 1864 г. в Москве в семье государственного чиновника. Окончил Московский университет. В 1909 г. защитил докторскую диссертацию. В 1911 г. был приглашен в Харьковский технологический институт на должность профессора химии. Последующие 25 лет его педагогической и творческой деятельности были связаны с этим институтом (впоследствии Харьковский политехнический). Кроме химии Щукарева интересовали вопросы логики мышления. Приезд в Харьков сыграл большую роль в его жизни. Дело в том, что в Харьковском университете много лет работал хорошо известный в то время в России профессор Павел Дмитриевич Хрущев (1849-1909). По специальности он также был химиком и также, как Щукарев, был увлечен проблемой мышления и методологией науки. Еще в 1897 г. он прочитал для профессорско-преподавательского состава Харьковского университета курс лекций по теории мышления и элементам логики. Вероятно в это время у него возникла мысль повторить (воспроизвести) «логическое пианино» - машину, изобретенную в 1870 г. английским ученым математиком Вильямом Стенли Джевонсом (1835-1882), профессором Манчестерского университета, книга которого «Основы науки» была переведена на русский язык в 1881 г. и, очевидно, была известна П. Д. Хрущеву. К тому же по материалам книги профессором математики Одесского университета И. В. Слешинским в 1893 г. была опубликована статья «Логическая машина Джевонса» («Вестник опытной физики и элементарной математики», семестр ХY, № 7). Джевонс не придавал своему изобретению практического значения. «Логическое пианино» трактовалось и использовалось только как учебное пособие при преподавании курса логики. Судя по всему, профессор П. Д. Хрущев, воссоздавший машину Джевонса, (в начале 1900-х гг. или несколько ранее), намеревался использовать ее подобно Джевонсу как учебное пособие во время своих лекций по логике и мышлению.

После смерти П. Д. Хрущева в 1909 г. его вдова передала машину Харьковскому университету, где он долгое время работал. Каким образом А. Н. Щукарев отыскал машину, сконструированную П. Д. Хрущевым – неизвестно. Сам А. Н. Щукарев в статье «Механизация мышления» (1925 г.) пишет, что она досталась ему «по наследству». А. Н. Щукарев вел большую просветительскую работу, выступал с лекциями на тему познания и мышления во многих городах Украины, а также в Москве и Ленинграде. Первое время он демонстрировал машину, построенную Хрущевым, а затем – сконструированную им самим. В указанной выше статье он сообщает: «Я сделал попытку построить несколько видоизмененный экземпляр, вводя в конструкцию Джевонса некоторые усовершенствования. Усовершенствования эти, впрочем, не носили принципиального характера. Я просто придал инструменту несколько меньшие размеры, сделал его весь из металла и устранил кое-какие конструктивные дефекты, которых в приборе Джевонса, надо сознаться, было довольно порядочно. Некоторым дальнейшим шагом вперед было присоединение к инструменту особого светового экрана, на который передается работа машины и на котором результаты «мышления» появляются не в условно-буквенной форме, как на самой машине Джевонса, а в обыкновенной словесной форме».

К сожалению, машины Хрущева и Щукарева не сохранились. Однако, в статье «Механизация мышления» (логическая машина Джевонса), опубликованной профессором А. Н. Щукаревым в 1925 г. («Вестник знания», № 12), дается фотография машины сконструированной Щукаревым и ее достаточно подробное описание, а также, что очень важно – рекомендации по ее практическому применению.

Главное, что сделал Щукарев, заключалось в том, что он, в отличие от Джевонса и Хрущева, видел в машине не просто школьное пособие, а представлял ее своим слушателям как техническое средство механизации формализуемых сторон мышления. Статью «Механизация мышления» он начинает с изложения истории создания технических средств для счета. Упоминает абак, суммирующую машину Паскаля, арифметический прибор Лейбница, логарифмическую линейку и аналоговые дифференцируемые машины для решения уравнений. Механизация формализуемых логических процессов рассматривается им как следующий шаг в развитии подобных устройств, оказывающих существенную помощь человеку в умственной работе. В качестве примера в статье приводится решение задачи прогнозирования электрических свойств водных растворов окислов химических элементов. С помощью машины были найдены восемь вариантов растворов электролитов и неэлектролитов. «Все эти выводы совершенно правильны, - пишет ученый, - однако мысль человеческая сильно путалась в этих выводах».

Как и в наше время, когда в бывшем Советском Союзе кибернетику посчитали вначале лженаукой, так и в 20-е годы воззрения А. Н. Щукарева, помимо доброжелательного отношения, оценивались рядом ученых резко отрицательно. Профессор И. Е. Орлов в 1926 г. на страницах журнала «Под знаменем марксизма» написал: «…Претензии профессора Щукарева, представляющего школьное пособие Джевонса в качестве «мыслящего» аппарата, а также наивное изумление его слушателей, - все это не лишено некоторого комизма. …Нас хотят убедить в формальном характере мышления, в возможности его механизации» (Орлов И. О механизации умственного труда // Под знаменем марксизма. - № 12. - 1926 г.). К чести журнала – его редакция не согласилась со взглядами автора статьи.

Последнюю лекцию А. Н. Щукарев прочитал в Харькове в конце 1920-х гг. Свою машину он передал Харьковскому университету на кафедру математики. В дальнейшем след ее потерялся. В истории развития информационных технологий в Украине и в бывшем Советском Союзе имя А. Н. Щукарева связано с важным шагом в области обработки информации – пониманием и активной пропагандой важности и возможности механизации (в дальнейшем автоматизации) формализуемых сторон логического мышления.

Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это, прежде всего, их элементная база (из каких основных элементов они построены). Элементной базой машин первого поколения были электронные лампы – диоды и триоды, ЭВМ второго поколения – полупроводниковые элементы, ЭВМ третьего поколения - интегральные схемы (ИС), ЭВМ четвертого поколения – большие интегральные схемы (БИС).

Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Кроме элементной базы должны учитываться такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим – к другому поколению. И все, же несмотря на эту условность, каждое поколение ЭВМ можно считать качественным скачком в развитии электронно-вычислительной техники.

Следует заметить, что первая ЭВМ (ЭНИАК) с программным управлением разрабатывалась в США в условиях Второй мировой войны и была построена к 1946 г. При сравнении ее с современной вычислительной техникой эту машину образно называют «динозавром в мире млекопитающих». Действительно, она представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 м., содержала до 18 тыс. электронных ламп и потребляла около 150 кВт электроэнергии. Однако для своего времени она знаменовала большое достижение, так как применение электронных реле (триггеров) вместо электромеханических реле позволило почти на три порядка ускорить выполнение арифметических операций. В самом деле, если машина «МАРК II» могла выполнять в секунду около пяти сложений или одно умножение, то «ЭНИАК» способна была произвести до 5 тыс. сложений или 500 умножений в секунду.

Истекшие более 40 лет истории электронной вычислительной техники характеризировались стремительным улучшением характеристик ЭВМ и, прежде всего, увеличением быстродействия и емкости памяти.

Быстродействие, или, другими словами, скорость работы ЭВМ (V), измеряют количеством простейших операций (типа сложения или вычитания) в секунду, а емкость памяти (М) – количеством байтов. Напомним, что 1 байт = 8 бит.

Быстродействие ЭВМ определяет ее производительность, а емкость памяти – сложность задач, которые ЭВМ может решать (длину программы и количество исходных данных, необходимых для решения задачи). Но в конечном счете емкость памяти определяет также и производительность ЭВМ, так как при малой емкости быстродействующая машина быстро использует все размещенные в памяти данные в программу и будет простаивать и ждать, когда же извне будут введены новые данные и программа.

Рассмотрим теперь, как изменялись основные характеристики ЭВМ (быстродействие и емкость памяти) с момента их создания до настоящего времени. Первые ЭВМ имели быстродействие от сотен до тысяч операций в секунду и емкость памяти от сотен до тысяч байт. Заметим, что, говоря о памяти, мы здесь будем иметь в виду оперативную или внутреннюю память ЭВМ. Так называют ту часть памяти, в которой хранятся выполняемая программа и данные (или часть их), непосредственно используемые при выполнении этой программы. Очевидно, что оперативная память должна функционировать в темпе работы арифметического устройства ЭВМ. Кроме оперативной, различают внешнюю память на магнитных лентах и дисках. Внешняя память (особенно на магнитных лентах) может иметь практически неограниченную емкость.

Уже в 1960 г. существовали системы ЭВМ, віполнявшие миллионі операций в секунду, а емкость их памяти достигла сотен тысяч байт. Следует отметить что здесь речь идет о характеристиках лучших в мире, уникальных ЭВМ. Естественно, что ЭВМ серийного выпуска имели характеристики на один-два порядка ниже.

В 1970 г. уже біли созданы системы ЭВМ с быстродействием около сотен миллионов операций в секунду и емкостью памяти до десятков миллионов байт. Нужно сказать, что отдельно взятая ЭВМ в лучшем случае работает со скоростью до десятков миллионов операций в секунду, а большее быстродействие достигается созданием комплексов ЭВМ (машинных комплексов), состоящих из десятков и сотен компьютеров, которые одновременно могут решать отдельные части (фрагменты) одной и той же задачи.

Сейчас быстродействие наиболее совершенных многомашинных комплексов равняется миллиардам операций в секунду, а емкость памяти – сотням миллионов байт. Наконец, быстродействие комплексов может составлять несколько десятков миллиардов байт. Одновременно с увеличением быстродействия и емкости памяти стремительно уменьшаются габариты и стоимость ЭВМ, что достигается применением новых элементов и, главное, усовершенствованием технологии изготовления ЭВМ.

Весь путь развития электронных вычислительных машин можно разделить на несколько периодов, которым соответствуют отдельные поколения ЭВМ, характеризующиеся, как уже отмечалось, прежде всего, определенной элементной базой.

Первое поколение ЭВМ (1945 г. – конец 50-х гг.) представляли машины на вакуумных электронных лампах, вначале больших, затем миниатюрных. Их оперативная память работала на специальных запоминающих электронно-лучевых трубках, подобных кинескопам телевизоров, а с середины 1950-х гг. – на ферритовых сердечниках (колечках).

Примером машины первого поколения служит «БЭСМ» (быстродействующая электронная счетная машина), созданная в СССР под руководством академика С. А. Лебедева. Она была введена в эксплуатацию в 1952 г. и в течении нескольких последующих лет являлась одной из наиболее совершенных в Европе. Ее быстродействие достигало 10 тыс. простых операций в секунду. Под простыми операциями понимают операции типа сложения и вычитания. В дальнейшем во всех случаях, когда будет указываться быстродействие в операциях в секунду, будут подразумеваться простые операции. К машинам первого поколения относятся также несколько модификаций ЭВМ «Урал», «Минск» и др.

В конце 50-х гг. ХХ в. большое распространение получили машины второго поколения. В них на смену электронным лампам пришли диоды и транзисторы – значительно более экономичные и малогабаритные элементы, а основными элементами запоминающих устройств по-прежнему являлись ферритовые сердечники. Среди ЭВМ второго поколения в СССР наиболее широкое применение получили различные модификации машин «Урал» и «Минск».

Крупным шагом вперед в развитии отечественной и мировой вычислительной техники стало создание машины БЭСМ-6 под руководством С.А.Лебедева (1966 г.). Эта ЭВМ была в свое время одной из наиболее совершенных в мире. Быстродействие ее достигало миллиона операций в секунду. Модифицированные машины «БЭСМ-6» продолжают успешно работать до настоящего времени.

Во второй половине 1960-70-х гг. широко развернулось проектирование и производство ЭВМ третьего поколения. Это машины, построенные на интегральных схемах (ИС). Интегральная схема представляет собой микроминиатюрное полупроводниковое электронное устройство, элементы которого (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и др.) конструктивно объединены (интегрированы), соединены между собой электрически и размещены на одной общей подложке (обычно на кристалле особо чистого кремния или германия).

ЭВМ третьего поколения строились на интегральных схемах малой или средней степени интеграции, которые содержали от десятков до сотен электронных элементов. Такая ИС являлась обычно самостоятельным схемным узлом – усилителем, триггером, многовходовой логической схемой. Эта ИС может заменить собой один или несколько схемных каскадов, которые ранее монтировались из отдельных (дискретных) компонентов.

Типичными представителями ЭВМ третьего поколения являются машины серии «ІВМ-360», выпускавшиеся со второй половины 1960-х гг. ХХ в. фирмой «ІВМ» (США). К этим машинам близки по своим характеристикам, технологии и структуре машины Единой системы – ЕС ЭВМ. Их разработка – результат совместных усилий стран – Болгарии, Венгрии, Польши, СССР, Чехии и Словакии, между которыми в 1969 г. было подписано соответствующее многостороннее соглашение. Важной особенностью ЕС ЭВМ, предназначенных для решения широкого класса научно-технических, экономических, управленческих и других задач, была их программная совместимость. Это означает, что программа, составленная для решения некоторой задачи, может быть реализована на любой из машин серии, даже если эти машины существенно отличаются по быстродействию, емкости памяти, аппаратному составу. Производительность машин первой очереди ЕС ЭВМ (Ряд-1) составляла от 20 до 500 тыс. операций в секунду. Их последующие модели (Ряд-2 и Ряд-3) имели быстродействие от 30 тыс. до 4 млн операций в секунду. Продолжается разработка все более совершенных ЕС ЭВМ. В частности, изготовлена машина ЕС-1066 с максимальной производительностью 12,5 млн операций в секунду и оперативной памятью – 8-16 Мбайт.

В начале 70-х гг. ХХ в. появились первые машины четвертого поколения. Нужно сказать, что четко отделить четвертое поколение от третьего трудно, и это деление в значительной степени условно. Машины четвертого поколения характеризуются широким использованием больших интегральных схем (БИС), которые могут содержать тысячи и десятки тысяч элементов на одном кристалле. Ферритовая память в этих ЭВМ уступила место полупроводниковой.

В машинах четвертого поколения увеличен набор команд, широко применяются встроенные подпрограммы, автоматизирована отладка программ, повышена надежность, расширено использование специализированных процессов, получили распространение многопроцессорные и многомашинные вычислительные комплексы. К вычислительным системам четвертого поколения относят, например, высокопроизводительную американскую вычислительную машину ИЛЛИАК-IV, эксплуатируемую с середины 1970-х гг., быстродействие которой достигает 100-200 млн. операций в секунду.

Отечественные ЭВМ четвертого поколения - это вычислительные комплексы «Эльбрус-1» (10 млн операций в 1 с.) и «Эльбрус-2» (100 млн операций в 1 с.). К настоящему времени у нас созданы и освоены в серийном производстве универсальные ЭВМ с быстродействием 125 млн.операций в 1 с.

Наряду с ЕС ЭВМ, в течении последних десятилетий ХХ вв. странами СЭВ была разработана и выпускалась система мини-ЭВМ (СМ ЭВМ) средней мощности для решения производственных и экономических задач малой и средней сложности, а также для отбора, подготовки и предварительной обработки информации. Например, вычислительный комплекс типа СММ-1210.01 имел производительность около 1 млн операций в 1 с. и емкость памяти 4 Мбайт.