ВЫЧИСЛИ́ТЕЛЬНАЯ МАШИ́НА

ВЫЧИСЛИ́ТЕЛЬНАЯ МАШИ́НА, устройство или комплекс устройств, предназначенных для механизации и автоматизации процесса обработки информации (вычислений). По способу представления обрабатываемой информации В. м. делят на машины непрерывного действия – аналоговые В. м. (АВМ) и машины дискретного действия – цифровые В. м. (ЦВМ). В АВМ информация представлена в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных физич. величинами (угол поворота вала, сила электрич. тока, напряжение и т. п.). С распространением электронных В. м. (ЭВМ) роль аналоговых машины постепенно уменьшалась (см. Аналоговая вычислительная машина). В ЦВМ информация представлена в виде набора дискретных значений (чисел) к.-л. физич. величины. Решение задачи в ЦВМ сводится к последовательному выполнению операций над числами, которые представлены совокупностью элементов, каждый из которых может принимать ряд устойчивых состояний, соответствующих определённой цифре числа (число этих состояний определяется системой счисления, которая принята в данной ЦВМ). По применяемой элементной базе ЦВМ делят на домеханические, механические, электромеханические (релейные), электронные.

Домеханические В. м. Человек с древнейших времён применял пальцевый счёт, счёт с помощью зарубок и разл. предметов (камешков, зёрен и др.), узелковый счёт. В сер. 1-го тыс. до н. э. появился первый цифровой счётный прибор – абак (Древняя Греция), который (в форме счёта на линиях с помощью жетонов) применялся для арифметич. вычислений в Зап. Европе до 18 в. Аналоги абака существовали и в др. странах: в Китае – суанпань, в Японии – соробан, в России – счёты. В 1617 появилось описание первого немеханич. вычислит. устройства, которое получило назв. «счётные палочки Непера». Оно состояло из тонких пластин или брусков, на которые особым образом записывалась таблица умножения. Простые манипуляции с брусками позволяли умножать и делить большие числа. Основанные на том же принципе устройства предлагались позднее в России (бруски Иоффе, 1881), во Франции (бруски Женая-Люка, 1885) и др.

Механические В. м. Первые механич. ЦВМ, предназначенные для выполнения арифметич. операций, изобретены в 17 в. Их появление в значит. степени явилось следствием общефилософской установки того времени, согласно которой в основе устройства мироздания лежат законы механики. Поэтому механич. В. м. должны были показать, что умственная деятельность человека также (хотя бы отчасти) может быть механизирована. Механич. В. м. были созданы В. Шиккардом (1623, Германия, не сохр.), Б. Паскалем (1642) и Г. В. Лейбницем (1672). В 18 в. Дж. Полени (1709, Италия), Ф. М. Ган (1774, Германия), Ч. Стенхоуп (1775) и др. реализовали разл. проекты В. м. Однако малая надёжность и высокая стоимость препятствовали их распространению.

В 1821 в Париже Ш. К. Тома де Кольмар организовал первое мелкосерийное произ-во арифмометров, конструкция которых продолжала совершенствоваться почти до сер. 20 в. К нач. 20 в. номенклатура выпускаемых В. м. была уже достаточно велика, кроме арифмометров большим спросом пользовались и др. механич. В. м., напр. простые и дешёвые карманные сумматоры Куммера (Россия, 1846), Ч. Г. Вебба (США, 1868). Подобные устройства выпускались в разных странах вплоть до 1970. В 1884 амер. фирма NCR наладила произ-во кассовых аппаратов, которые надолго стали самым массовым видом В. м. Все эти машины применялись для решения достаточно простых задач с ограниченным объёмом вычислений. Другой вид В. м. – специализированный. Разностные машины предназначались для табулирования функций, аппроксимированных полиномом $n$-й степени (где $n=1, 2, 3…$). Первым проектом такой В. м. была разностная машина Ч. Бэббиджа (1821–33, не закончена). Созданные позднее разностные машины П. и Г. Шейцев (Шейцев; 1853, Швеция) и М. Виберга (1863, Швеция) применялись для расчёта математич. таблиц и были первыми В. м., снабжёнными устройством для печати результатов. Они стали первыми В. м., которые выполняли достаточно длинную последовательность арифметич. операций автоматически. Известны также разностные машины Дж. Гранта (1876, США) и К. Гамана (1909, Германия).

Идея создания универсальной ЦВМ принадлежит Ч. Бэббиджу. В 1834 он начал работу над проектом аналитич. машины, первой В. м. с программным управлением. Её конструкция, предвосхитившая структуру совр. компьютеров, включала арифметич. устройство, устройство для хранения чисел, печатающее устройство. Вычисления должны были производиться спец. устройством в соответствии с программой, записанной на перфокартах. Леди Ада Лавлейс, написавшая неск. программ для аналитич. машины, признана первым в мире программистом. Хотя проект Бэббиджа не был реализован, он послужил толчком к разработке др. аналитич. машин, в т. ч. механической – П. Ладгейта (1909, Великобритания, не построена) и электромеханической – Л. Торрес-и-Кеведо (Испания, 1914).

Электромеханические В. м. К кон. 19 в. сложился достаточно широкий круг задач (экономич., статистич., научно-технич.), требующих большого объёма вычислений. В 1889 Г. Холлерит создал счётно-перфорационные машины (СПМ), первоначально предназначавшиеся для обработки статистич. информации. Исходные данные (вручную с помощью перфоратора) переносились на перфокарты. Набор подготовленных перфокарт вводился в табулятор, который в автоматич. режиме считывал данные и выполнял необходимые вычислит. операции. Порядок выполнения операций задавался установкой электрич. связей на коммутационной доске. Промежуточные результаты записывались в запоминающие регистры, окончат. результаты печатались или выводились на перфокарты. Счётно-перфорационные машины содержали арифметич. устройство, память (колода перфокарт и регистры для запоминания промежуточных результатов), устройства ввода (с перфокарт) и вывода данных, т. е. включали все элементы архитектуры автоматич. ЦВМ. К 1930 СПМ занимали доминирующее положение в области обработки больших массивов числовых данных, однако выполнение арифметич. операций механич. способом ограничивало их производительность. В СПМ, как и в механич. В. м., использовалась десятичная система счисления, исключением было только множительное устройство Т. Фаулера (1844, Великобритания), работавшее в уравновешенной троичной системе.

Первую попытку применить электромагнитное реле для построения ЦВМ предпринял А. Маркванд (США) в 1885, разработавший проект релейной логической В. м. (не был реализован). В нач. 1930-х гг., когда в системах телефонной связи уже широко применялись электромагнитные реле, было построено неск. специализир. релейных В. м. Вслед за ними – универсальные релейные В. м. с программным управлением: двоичная машины Z-3 К. Цузе (1941), серия релейных машин Дж. Стибица (1940–46, США), десятичная машина Mark I Г. Айкена (1944). Их продолжали строить вплоть до кон. 1950-х гг. в ФРГ (К. Цузе), СССР (РВМ-I Н. И. Бессонова, 1957) и др. странах. Однако электромеханич. В. м. уже не могли обеспечить требуемую вычислит. мощность, и дальнейшее развитие В. м. определила электронная техника.

Электронные В. м. Элементной базой ЭВМ первого поколения (1945–55) были вакуумные электронные лампы. До 1930-х гг. электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались гл. обр. в радиотехнике, но в 1931 англ. физик Ч. Уинн-Уильямс разработал первые счётчики импульсов (для устройств, регистрирующих заряженные частицы) на тиратронах, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. В 1939–42 Дж. В. Атанасов и К. Берри (США) построили специализир. цифровую электронную В. м., работавшую в двоичной системе счисления и предназначенную для решения систем линейных алгебраич. уравнений. Специализир. электронная В. м. Colossus для расшифровки секретных немецких радиограмм создана в Великобритании в 1943. Первая универсальная ЭВМ ENIAC (1946, США, Дж. У. Мокли, Дж. П. Эккерт) выполняла 300 операций умножения (или 5000 операций сложения) многоразрядных чисел в секунду. Машина имела огромные размеры и весила 30 т, потребляемая мощность составляла ок. 160 кВт, в электронной схеме было задействовано до 18 000 электронных ламп 16 осн. типов. Большое внимание приходилось уделять системе охлаждения, т. к. лампы выделяли много тепла. Опыт работы над ENIAC позволил Дж. фон Нейману определить общие требования к конфигурации В. м., а именно: ЭВМ должна состоять из арифметич. устройства, устройства управления, устройства ввода-вывода и памяти. Он также сформулировал требования, которым должна удовлетворять универсальная В. м. (т. н. принципы фон Неймана), важнейшими из которых являлись хранение машиной программы в запоминающем устройстве (памяти) и программное управление работой В. м. Первая ЭВМ с хранимой в памяти программой – EDSAC (Великобритания, 1949, М. Уилкс), в России – МЭСМ (малая электронная счётная машина, 1950, под рук. акад. С. А. Лебедева). К первому поколению ЭВМ относят также EDVAC (Мокли и Эккерт, 1952), SEAC (1950), SWAC (1950), Whirlwind (1951), М-2 (И. С. Брук, 1952) и др. Особое место среди них занимает первая и единственная в мире с троичной системой счисления ЭВМ «Сетунь» (Н. П. Брусенцов, 1958). В ЭВМ первого поколения первоначально использовалась память на основе ртутных линий задержки и электронно-лучевых трубок, позднее – память на магнитных сердечниках и накопители на магнитных лентах; процессоры выполняли как вычислит. операции, так и операции ввода-вывода, пересылки данных между запоминающими устройствами и др., что значительно снижало производительность ЭВМ. Программы для них писали на языке низкого уровня, средства автоматизации программирования практически отсутствовали. Эти машины отличались невысокой надёжностью, потребляли большое количество электроэнергии и имели значит. габариты.

В машинах второго поколения (1955–65) электронные лампы были заменены полупроводниковыми диодами и триодами (транзисторы). Новая технология позволила повысить надёжность и производительность ЭВМ, значительно уменьшить её габариты и энергопотребление. Первая бортовая ЭВМ на полупроводниковой элементной базе (для межконтинентальной баллистич. ракеты ATLAS) создана в 1955 в США. Наряду с памятью на магнитных сердечниках стали использовать накопители на магнитных дисках. В состав ЭВМ были включены процессоры ввода-вывода, позволявшие увеличить производительность за счёт совмещения операций ввода-вывода с вычислениями в центр. процессоре. Появились языки программирования высокого уровня (фортран, алгол-60, кобол, лисп и др.), а также компиляторы с них, что значительно повысило эффективность программирования. Этой же цели служили наборы библиотечных программ. Процессы управления решением задач и распределения ресурсов ЭВМ были возложены на спец. служебные программы, ставшие ядром будущих операционных систем (ОС). Наиболее известными ЭВМ второго поколения стали Stretch (1961), Atlas (Т. Килберн, 1962), Burroughs B-5000 (1961), CDC 6600 (С. Крей, 1964). В СССР серийное произ-во транзисторных ЭВМ началось в 1961 (Раздан-2), лучшей отеч. В. м. этого поколения была БЭСМ-6 (С. А. Лебедев, 1965–67), в которой нашёл воплощение целый ряд прогрессивных архит. решений, во многом предвосхитивших архит. особенности машин третьего поколения.

ЭВМ третьего поколения (1965–80) выполнялись на интегральных схемах, содержавших в одном модуле десятки транзисторов, резисторов и диодов, благодаря чему уменьшились габариты, снизилась потребляемая мощность, увеличилась производительность и надёжность В. м. Впервые стали производиться относительно недорогие мини-ЭВМ (PDP-8, 1965; ряд машин PDP-11, 1970; Vax-11/780, 1978), которые нашли применение как при решении вычислит. задач, так и в разл. системах управления. Самыми известными большими ЭВМ этого поколения стали программно совместимые машины семейства IBM-360 (1964) и IBM-370 (1970) Дж. Амдала. Данная серия оказала большое влияние на дальнейшее развитие ЭВМ общего назначения во всём мире. Их аналогом в России были В. м. серии ЕС ЭВМ (1971, Единая система ЭВМ стран социалистич. содружества). Отличит. особенность ЭВМ третьего поколения – наличие развитых ОС, обеспечивающих совместное использование ресурса ЭВМ несколькими пользователями.

Конструктивно-технологич. основой четвёртого поколения ЭВМ (ок. 1980) стали большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), в которых на одной плате размещались десятки и сотни тысяч, а затем миллионы транзисторов. На рубеже 1970-х гг. создан процессор на одном кристалле (чипе). Первый микропроцессор Intel 4004 (1971, США) содержал 2250 элементов. Микропроцессор Intel 8080 (1974), ставший стандартом микрокомпьютерной технологии своего времени, содержал уже 4500 элементов и послужил основой для создания первых персональных компьютеров (ПК). В 1979 (США) выпускается один из самых мощных и универсальных микропроцессоров – 16/32-битный (16-разрядная внешняя шина данных, 32-разрядные архитектурные регистры, 24-разрядная шина адреса) микропроцессор Motorola 68 000 c 70 000 элементами, ставший основой линеек множества производителей ПК (Apple, Amiga, Atari) и рабочих станций под управлением UNIX (NeXT, Sun, Apollo). Массовый выпуск ПК полностью изменил всю структуру рынка В. м. и открыл новые горизонты их применения. Наряду с ПК большое распространение получили встроенные и мобильные вычислит. устройства на основе простых микропроцессоров, которые, напр., применяются в разнообразных бытовых приборах (телевизоры, фотоаппараты, мобильные телефоны и др.). В последнее время всё большее значение приобретают компактные персональные мобильные устройства, такие как планшеты и смартфоны, возможности и вычислительная мощность которых уже не уступают многим их современникам из ПК начального уровня. Тем не менее создание мощных многопроцессорных вычислит. систем с высокой производительностью остаётся важнейшим направлением развития В. м., т. к. сохраняется тенденция к расширению круга задач, требующих высокоскоростной обработки больших объёмов данных. Предполагается, что переход к В. м. пятого поколения будет определяться в первую очередь развитием интеллектуального человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов) и логич. программирования для создания баз знаний и систем искусств. интеллекта. При этом возможность создания компьютеров, производительность которых на много порядков превышала бы возможности совр. В. м., часто связывается с использованием иных физич. принципов их работы (оптич. компьютеры, квантовые компьютеры и др.). См. также Вычислительная техника, Электронная вычислительная машина.