КОМПЬЮ́ТЕР

КОМПЬЮ́ТЕР (англ. computer, от лат. сom­puto – счи­тать, вы­чис­лять), уст­рой­ст­во, пред­на­зна­чен­ное для ав­то­ма­ти­за­ции про­цес­сов об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции, в ко­то­ром ап­па­ра­ту­ра ра­бо­та­ет под управ­лени­ем оп­ре­де­ляю­щих её дей­ст­вия про­грамм.

Историческая справка

Впер­вые тер­мин «К.» упот­ре­бил англ. врач и учё­ный-эн­цик­ло­пе­дист Т. Бра­ун в 1646, им он на­звал лю­дей, про­фес­сио­наль­но за­ни­мав­ших­ся вы­чис­ле­ния­ми. В этом зна­че­нии тер­мин ис­поль­зо­вал­ся в Ве­ли­ко­бри­та­нии и США до сер. 20 в.; про­стей­шие ме­ха­нич. счёт­ные уст­рой­ст­ва так­же ино­гда на­зы­ва­ли К. (ча­ще – каль­ку­ля­то­ра­ми). С нач. 1950-х гг. для ре­ше­ния вы­чис­лит. за­дач ста­ли ши­ро­ко при­ме­нять элек­трон­ные вы­чис­лит. ма­ши­ны, ко­то­рые в англ. яз. так­же на­зва­ли К.; со вре­ме­нем тер­мин ут­вер­дил­ся в боль­шин­ст­ве др. язы­ков, в т. ч. в рус­ском.

В 1834 Ч. Бэб­бидж впер­вые вы­дви­нул идею соз­да­ния ме­ха­нич. вы­чис­лит. ма­ши­ны, осн. свой­ст­ва ко­то­рой пред­вос­хи­ти­ли уст­рой­ст­во совр. К. Так, его «ана­ли­ти­че­ская ма­ши­на» долж­на бы­ла со­сто­ять из уст­рой­ст­ва управ­ле­ния, ариф­ме­тич. уст­рой­ст­ва и па­мя­ти для хра­не­ния чи­сел и ра­бо­тать под управ­ле­ни­ем про­грам­мы (в 1842 ле­ди А. Лав­лейс на­пи­са­ла неск. про­грамм для «ана­ли­ти­че­ской ма­ши­ны»). Ма­ши­на Бэб­бид­жа не бы­ла по­строе­на, его идея реа­ли­зо­ва­лась толь­ко в кон. 1930-х – сер. 1940-х гг., ко­гда бы­ли соз­да­ны неск. ре­лей­ных вы­чис­лит. ма­шин с про­грамм­ным управ­ле­ни­ем (Z-1 и Z-3 К. Цу­зе, Mark-I Г. Ай­ке­на). Обоб­щая опыт соз­да­ния ENIAC – пер­вой вы­чис­лит. ма­ши­ны, по­стро­ен­ной с ис­поль­зо­ва­ни­ем элек­трон­ных ламп, — элект­рон­ной вы­чи­слит. ма­ши­ны (ЭВМ), Дж. фон Ней­ман в 1945 сфор­му­ли­ро­вал осн. прин­ци­пы по­строе­ния и функ­цио­ни­ро­ва­ния ЭВМ – т. н. прин­ци­пы фон Ней­ма­на (од­на­ко фак­ти­че­ски они яви­лись ре­зуль­та­том ра­бо­ты груп­пы раз­ра­бот­чи­ков ENIAC, в пер­вую оче­редь Дж. У. Мок­ли и Дж. П. Эк­кер­та; эти же прин­ци­пы пред­ло­же­ны не­за­ви­си­мо Цу­зе и С. А. Ле­бе­де­вым). Со­глас­но им, вы­чис­лит. ма­ши­на долж­на ра­бо­тать в дво­ич­ной сис­те­ме счис­ле­ния и быть элек­трон­ной; вклю­чать уст­рой­ст­во управ­ле­ния, ор­га­ни­зую­щее вы­пол­не­ние про­грамм, и ариф­ме­тич. уст­рой­ст­во, вы­пол­няю­щее оп­ре­де­ляе­мые про­грам­мой ариф­ме­тич. и ло­гич. опе­ра­ции (совр. про­цес­сор), а так­же уст­рой­ст­ва вво­да-вы­во­да и па­мя­ти. Важ­ней­шим прин­ци­пом фон Ней­ма­на яв­ля­ет­ся хра­не­ние ма­шин­ной про­грам­мы в за­по­ми­наю­щем уст­рой­ст­ве (па­мя­ти) вме­сте с об­ра­ба­ты­вае­мы­ми дан­ны­ми, по­сколь­ку это по­зво­ли­ло из­ме­нять про­грам­му в хо­де её вы­пол­не­ния.

К нач. 21 в. сме­ни­лось неск. по­ко­ле­ний К. (см. Вы­чис­ли­тель­ная ма­ши­на), совр. К. зна­чи­тель­но от­ли­ча­ют­ся от К. пер­во­го по­ко­ле­ния как сво­ей ар­хи­тек­ту­рой, так и эле­мент­ной ба­зой. Не­смот­ря на то, что не­ко­то­рые из по­ло­же­ний Дж. фон Ней­ма­на не яв­ля­ют­ся прин­ци­пи­аль­ны­ми (так, вы­бор дво­ич­ной сис­те­мы оп­ре­де­лял­ся ско­рее эле­мент­ной ба­зой, су­ще­ст­во­вав­шей во вре­ме­на фон Ней­ма­на; К. мо­жет быть по­стро­ен и с ис­поль­зо­ва­ни­ем др. сис­тем счис­ле­ния, напр. урав­но­ве­шен­ной тро­ич­ной – «Се­тунь» Н. П. Бру­сен­цо­ва), на них ба­зи­ро­ва­лись К. пер­во­го и вто­ро­го по­ко­ле­ний. Од­на­ко со вре­ме­нем вы­яви­лась ог­ра­ни­чен­ность т. н. фон­ней­ма­нов­ской схе­мы вы­чис­ле­ний, со­глас­но ко­то­рой про­цес­сор од­ну за дру­гой вы­би­ра­ет из па­мя­ти ко­ман­ды и счи­ты­ва­ет опе­ран­ды, а за­тем вы­пол­ня­ет ко­ман­ду и за­пи­сы­ва­ет ре­зуль­тат в па­мять. Про­цесс вы­чис­ле­ния, т. о., сво­дит­ся к по­сле­до­ва­тель­ным (по­ша­го­вым) из­ме­не­ни­ям со­стоя­ния па­мя­ти. По­сколь­ку, бла­го­да­ря раз­ви­тию по­лу­про­вод­ни­ко­вых тех­но­ло­гий, бы­ст­ро­дей­ст­вие центр. про­цес­со­ра все­гда рос­ло бы­ст­рее, чем бы­ст­ро­дей­ст­вие опе­ра­тив­ной па­мя­ти, это ус­та­нав­ли­ва­ло ес­теств. ог­ра­ни­че­ния на рост про­из­во­ди­тель­но­сти К. Для пре­одо­ле­ния это­го про­ти­во­ре­чия (на­чи­ная со вто­ро­го по­ко­ле­ния) в К. ста­ли реа­ли­зо­вы­вать разл. ар­хит. ре­ше­ния: со­вме­ще­ние во вре­ме­ни ра­бо­ты центр. про­цес­со­ра и уст­ройств вво­да-вы­во­да, бу­фе­ри­за­ция дан­ных, рас­слое­ние па­мя­ти (раз­бие­ние на мо­ду­ли, к ко­то­рым мож­но об­ра­щать­ся од­но­вре­мен­но), па­мять на бы­ст­рых ре­ги­ст­рах, мно­го­уров­не­вая кэш-па­мять и др. Дан­ные ре­ше­ния по­зво­ля­ют сба­лан­си­ро­вать ра­бо­ту про­цес­со­ра и па­мя­ти, од­на­ко не сни­ма­ют гл. ог­ра­ни­че­ние фон­ней­ма­нов­ской ар­хи­тек­ту­ры – вы­пол­не­ние в ка­ж­дый мо­мент вре­ме­ни толь­ко од­ной ко­ман­ды. Др. ар­хит. ре­ше­ния бы­ли на­прав­ле­ны на уве­ли­че­ние па­рал­ле­лиз­ма в вы­пол­не­нии ко­манд: со­вме­ще­ние во вре­ме­ни об­ра­бот­ки про­цес­со­ром не­сколь­ких ко­манд од­ной про­грам­мы (кон­вей­ер), соз­да­ние мно­го­про­цес­сор­ных вы­чис­ли­тель­ных сис­тем, вы­пол­няю­щих од­но­вре­мен­но неск. про­грамм (мно­го­про­цес­сор­ные вы­чис­лит. ком­плек­сы) или од­ну и ту же ко­ман­ду, но над раз­ны­ми дан­ны­ми (мат­рич­ные вы­чис­лит. сис­те­мы) и т. п.

Важ­ным со­бы­ти­ем в тео­ре­тич. ос­мысле­нии этой про­бле­мы ста­ла ста­тья Дж. Бэ­ку­са (США, 1978) «Мож­но ли ос­во­бо­дить про­грам­ми­ро­ва­ние от фон­ней­ма­нов­ско­го сти­ля?», в ко­то­рой впер­вые бы­ла сфор­му­ли­ро­ва­на идея тес­ной свя­зи тра­диц. язы­ков про­грам­ми­ро­ва­ния (фор­тран и др.) и фон­ней­ма­нов­ской ар­хи­тек­ту­ры. Со­глас­но Бэ­ку­су, для пре­одо­ле­ния то­го, что он на­звал «бу­ты­лоч­ным гор­лом» (bottleneck) тра­диц. ар­хи­тек­ту­ры (не­об­хо­ди­мость вы­бор­ки ко­манд из па­мя­ти для их вы­пол­не­ния; вы­пол­не­ние од­ной ко­ман­ды в один мо­мент вре­ме­ни; не­об­хо­ди­мость вы­бор­ки дан­ных для про­цес­со­ра да­же в том слу­чае, ко­гда они не тре­бу­ют об­ра­бот­ки), сле­ду­ет пе­рей­ти к но­вым па­ра­диг­мам про­грам­ми­ро­ва­ния (в пер­вую оче­редь функ­цио­наль­ной) и под­дер­жи­ваю­щим их ар­хи­тек­ту­рам К. Ста­тья Бэ­ку­са сти­му­ли­ро­ва­ла не толь­ко ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти про­грам­ми­ро­ва­ния, но и ра­бо­ты по соз­да­нию К. с ар­хи­тек­ту­рой, в той или иной сте­пе­ни от­ли­чаю­щей­ся от фон­ней­ма­нов­ской. Пол­ный от­каз от прин­ци­пов фон­ней­ма­нов­ской ар­хи­тек­ту­ры реа­ли­зо­ван в К. с т. н. по­то­ко­вой (dataflow) ар­хи­тек­ту­рой. Ход вы­чис­лит. про­цес­са в них оп­ре­де­ля­ет­ся не по­ряд­ком сле­до­ва­ния ко­манд в про­грам­ме, а ди­на­ми­че­ски фор­ми­рую­щим­ся по­то­ком дан­ных. Та­кой под­ход по­зво­ля­ет «рас­па­рал­ле­лить» вы­чис­ле­ния на уров­не ко­манд, цик­лов, про­це­дур, т. е. обес­пе­чить низ­ко­уров­не­вый па­рал­ле­лизм. Пер­вые ра­бо­ты в об­лас­ти по­то­ко­вых вы­чис­ле­ний поя­ви­лись в кон. 1960-х гг. (Д. Адамс, 1968, и др.). В 1970-х – нач. 1990-х гг. они про­во­ди­лись осо­бен­но ин­тен­сив­но: бы­ло по­строе­но мно­же­ст­во ма­ке­тов по­то­ко­вых К., пред­ло­же­ны по­то­ко­вые язы­ки про­грам­ми­ро­ва­ния – Id (1978), SISAL (1983) и др., а так­же реа­ли­зо­ва­ны пер­вые ком­мерч. по­то­ко­вые К. Од­на­ко при реа­ли­за­ции чис­то по­то­ко­вой ар­хи­тек­ту­ры воз­ни­ка­ет мно­же­ст­во труд­но­раз­ре­ши­мых тех­нич. и тех­но­ло­гич. про­блем (не­об­хо­ди­мость по­строе­ния ас­со­циа­тив­ной па­мя­ти боль­шо­го объ­ё­ма, слож­ных ком­му­та­то­ров и др.). По­это­му мн. совр. па­рал­лель­ные К. со­че­та­ют в сво­ей ар­хи­тек­ту­ре эле­мен­ты фон­ней­ма­нов­ской и по­то­ко­вой мо­де­лей вы­чис­ле­ний.

Классификация и принцип действия

По прин­ци­пу дей­ст­вия и спо­со­бу пред­став­ле­ния об­ра­ба­ты­вае­мой ин­фор­ма­ции К. де­лят­ся на ана­ло­го­вые (об­ра­ба­ты­вае­мая ин­фор­ма­ция пред­став­ле­на в ви­де не­пре­рыв­но из­ме­няю­щих­ся пе­ре­мен­ных, вы­ра­жен­ных фи­зич. ве­ли­чи­на­ми, напр. си­лой элек­трич. то­ка, на­пря­же­ни­ем) и циф­ро­вые (ин­фор­ма­ция пред­став­ле­на в ви­де на­бо­ра дис­крет­ных зна­че­ний к.-л. фи­зич. ве­ли­чи­ны). По на­зна­че­нию раз­ли­ча­ют К. уни­вер­саль­ные и спе­циа­ли­зи­ро­ван­ные (управ­ляю­щие, бор­то­вые, сер­ве­ры, ра­бо­чие стан­ции и др.). В за­ви­си­мо­сти от тех или иных ха­рак­те­ри­стик [про­из­во­ди­тель­но­сти (определяемой так­товой частотой работы устройств К., про­пускной способностью шин процессора и памяти и др.), ёмкости оперативной памяти, габаритов и др.] вы­де­ля­ют су­пер­ком­пь­ю­те­ры (су­пер-ЭВМ), боль­шие К. (мэйн­фрей­мы – вы­со­ко­про­из­во­ди­тель­ные К., пред­на­зна­чен­ные, как пра­ви­ло, для ор­га­ни­за­ции цен­тра­ли­зов. хра­ни­лищ дан­ных боль­шой ём­ко­сти), ми­ни-ком­пь­ю­те­ры (в т. ч. пер­со­наль­ный компь­ю­тер), мик­ро­ком­пь­ю­те­ры. Та­кая клас­си­фи­ка­ция но­сит не­сколь­ко ус­лов­ный ха­рак­тер, по­сколь­ку под­час труд­но про­вес­ти гра­ни­цу ме­ж­ду су­пер­ком­пь­ю­те­ра­ми и мэйн­фрей­ма­ми. Так, пред­став­ле­ние о том, ка­ки­ми па­ра­мет­ра­ми дол­жен об­ла­дать су­пер­ком­пь­ю­тер, ме­ня­ет­ся со вре­ме­нем. Ес­ли К. CDC-6600 (1964), час­то на­зы­вае­мый пер­вым су­пер­ком­пь­ю­те­ром, об­ла­дал про­из­во­ди­тель­но­стью ок. 10 млн. опе­ра­ций/с, то са­мый бы­ст­ро­дей­ст­вую­щий в ми­ре К. (июнь 2008) – Road­runner (по­стро­ен­ный ком­па­ни­ей IBM для Мин-ва энер­ге­ти­ки США и ус­та­нов­лен­ный в Лос-Ала­мос­ской нац. ла­бо­ра­то­рии) впер­вые пре­вы­сил ру­беж 1 пе­таф­лопс (1,026 пе­таф­лопс), т. е. 1 квад­рил­ли­он (1000 трил­лио­нов) опе­ра­ций/с (с пла­ваю­щей за­пя­той). По­ня­тие мик­ро­ком­пь­ю­те­ра бы­ло вве­де­но (в нач. 1970-х гг.), что­бы вы­де­лить класс вы­чис­лит. ма­шин, у ко­то­рых центр. про­цес­сор вы­пол­нен в ви­де еди­но­го уст­рой­ст­ва на ин­те­граль­ной схе­ме (мик­ро­про­цес­сор); в нач. 21 в. в ви­де мик­ро­про­цес­со­ров реа­ли­зо­ва­ны центр. про­цес­со­ры не­ко­то­рых мэйн­фрей­мов и су­пер­ком­пь­ю­те­ров. Од­на­ко дан­ная клас­си­фи­ка­ция, тем не ме­нее, по­зво­ля­ет ори­ен­ти­ро­вать­ся в мно­го­об­ра­зии ком­пь­ю­те­ров.

Тра­ди­ци­он­но К. ото­жде­ст­в­ля­ют с ЭВМ, од­на­ко К. мо­гут быть не толь­ко элек­трон­ны­ми – из­вест­ны элек­тро­ме­ха­ни­че­ские (ре­лей­ные) К., кван­то­вые ком­пь­ю­те­ры, оп­тич. К. (ис­сле­до­ва­ны воз­мож­но­сти по­строе­ния из оп­тич. эле­мен­тов уст­ройств па­мя­ти и ком­му­та­то­ров; соз­да­ние оп­тич. ло­гич. эле­мен­тов пред­став­ля­ет­ся ме­нее пер­спек­тив­ным). В нач. 21 в. про­во­дят­ся ин­тен­сив­ные ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти соз­да­ния био­ло­гич. К., ос­но­ван­ных на взаи­мо­дей­ст­вии жи­вых кле­ток, био­мо­ле­кул, ви­ру­сов и т. п. В 2006 в Ко­лум­бий­ском ун-те (США) был про­де­мон­ст­ри­ро­ван про­то­тип про­стей­ше­го ДНК-ком­пь­ю­те­ра MAYA-II (Molecular Array of YES and AND logic gates, мо­леку­ляр­ная мат­ри­ца ло­гич. эле­мен­тов «да», «нет» и опе­ра­ции «и»), ус­пеш­но иг­раю­ще­го в кре­сти­ки-но­ли­ки про­тив че­ло­ве­ка.

Применение

Бла­го­да­ря бы­ст­ро­му рос­ту ко­ли­че­ст­вен­ных ха­рак­те­ри­стик ап­па­ра­ту­ры К. (сте­пень ми­ниа­тю­ри­за­ции, бы­ст­ро­дей­ст­вие и др.) и по­сто­ян­но­му сни­же­нию её стои­мо­сти к нач. 1990-х гг. К. (в пер­вую оче­редь ПК) стал обя­за­тель­ным ат­ри­бу­том не толь­ко ра­бо­чих мест разл. спе­циа­ли­стов, но и бы­та. Это вы­зва­ло ко­лос­саль­ный рост рын­ка про­грамм­но­го обес­пе­че­ния, в т. ч. при­клад­ных про­грамм, ори­ен­ти­ро­ван­ных на неква­ли­фи­цир. поль­зо­ва­те­ля, а дос­туп­ность про­грамм са­мо­го раз­но­го на­зна­че­ния, в свою оче­редь, сти­му­ли­ро­ва­ла даль­ней­ший спрос на К. Ве­ро­ят­но, по­это­му под К. всё ча­ще под­ра­зу­ме­ва­ют имен­но пер­со­наль­ный К. На­ря­ду с ни­ми ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние име­ют пор­та­тив­ные К. (но­ут­бу­ки), кар­ман­ные К., ра­бо­чие стан­ции, сер­ве­ры и др. Про­стей­ши­ми К. фак­ти­че­ски яв­ля­ют­ся иг­ро­вые при­став­ки для ви­део­игр, а так­же встро­ен­ные и мо­биль­ные вы­чис­лит. уст­рой­ст­ва, управ­ляю­щие ра­бо­той разл. бы­то­вых при­бо­ров, мо­биль­ных те­ле­фо­нов, те­ле­ви­зо­ров, фо­то­ап­па­ра­тов и т. д.

В кон. 20 – нач. 21 вв. К. пре­вра­тил­ся в важ­ней­ший со­ци­аль­ный и куль­тур­ный фе­но­мен. Про­из­вод­ст­во, связь, бан­ков­ское де­ло, нау­ка, об­ра­зо­ва­ние, куль­ту­ра, иск-во, сред­ст­ва мас­со­вой ин­фор­ма­ции, быт, бла­го­да­ря вне­дре­нию ком­пь­ю­тер­ных тех­но­ло­гий (в т. ч. ком­пь­ю­тер­ных се­тей), пре­тер­пе­ли ра­ди­каль­ные из­ме­не­ния. К. стал зна­чи­мым фак­то­ром транс­фор­ма­ции со­ци­аль­ных, в т. ч. тру­до­вых, от­но­ше­ний. К. иг­ра­ет оп­ре­де­ляю­щую роль в обес­пе­че­нии все­об­щей дос­туп­но­сти об­ра­зо­ва­ния (дис­тан­ци­он­ное и др. фор­мы обу­че­ния), на­уч. ин­фор­ма­ции (биб­лио­те­ки JSTOR и др. че­рез Ин­тер­нет пре­дос­тав­ля­ют дос­туп к оциф­ро­ван­ным вы­пус­кам на­уч. жур­на­лов на­чи­ная с 17 в.), про­из­ве­де­ний ху­до­же­ст­вен­ной, фи­ло­соф­ской и т. п. лит-ры (элек­трон­ные биб­лио­те­ки, сре­ди ко­то­рых осо­бо вы­де­ля­ют­ся мас­шта­ба­ми про­ек­ты Gu­ten­berg, Internet Archive, Google books и др.), ху­дож. цен­но­стей (вир­ту­аль­ные му­зеи, вир­ту­аль­ные экс­кур­сии и др.). Ис­поль­зо­ва­ние К. сти­му­ли­ро­ва­ло по­яв­ле­ние но­вых ху­дож. тех­но­ло­гий (ком­пь­ю­тер­ная гра­фи­ка, ком­пь­ю­тер­ная ани­ма­ция, веб-ди­зайн и др.).