В то же самое время, а именно к концу 30-х годов, относятся и первые попытки использовать в вычислительных машинах электронные элементы. Вопрос состоял в том, как моделировать логические элементы машины. Это можно было делать с помощью электромеханических реле, но в таком случае скорость счета машины оставалась невысокой — порядка сотен и тысяч миллисекунд на одну операцию. Такая скорость была характерна для первых вычислительных машин, построенных в 40-х годах. Использование электронных ламп для конструирования логических элементов позволило повысить быстродействие машин на три порядка. Первая ЭВМ, использующая триггеры (логические элементы) на электровакуумных триодах, ЭНИАК (сокращение от английского названия «электронный числовой интегратор и вычислитель»), была создана в Пенсильванском университете в 1945 г. под руководством Дж. Маучли. Несмотря на то что ее работа была основана на десятичной системе счисления, ее быстродействие казалось тогда фантастическим — 0,2 мс на операцию (сложения).
1946 год явился в значительной степени переломным для развития вычислительной техники. Известный американский математик и физик Джон фон Нейман выдвинул и обосновал перспективы создания новых ЭВМ, в них предполагался переход на двоичную систему счисления, а также ввод и хранение программы в памяти ЭВМ аналогично данным. Идеи Неймана и постройка под его руководством новой ЭВМ — ЭДВАК — оказали существенное влияние на дальнейшее развитие вычислительной техники. Заметим, что быстродействие новой машины в четыре с лишним раза превышало быстродействие ЭНИАКа.
Прогресс вычислительной техники в 1940–1950 гг. был обусловлен появлением целого ряда работ по численному анализу. Кроме того, весьма важной оказалась возможность выражения в математических терминах способности машины принимать оптимальные решения, которая следовала из книги фон Неймана и О. Моргенштарна «Теория игр и оптимальное поведение», вышедшей в 1944 г. Наконец, К. Шенноном и Н. Винером были развиты представления, послужившие основой современной теории связи. Винер пришел к выводу, что математический оператор можно рассматривать как часть механизма управления и что к нему, в свою очередь, приложимы такие понятия, как обратная связь и стабильность, которые были введены для описания механических систем и электрических цепей. Идеи Винера, изложенные в его знаменитой книге «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине», появившейся в 1948 г., оказались весьма продуктивными, и с их помощью удалось создать общую теорию информации и связи, применимую в самых различных областях — от физики до биологии и языкознания.
В развитии теории информации сыграли важную роль советские ученые А. Н. Колмогоров и А. Я. Хин-чин.
В СССР разработка первой отечественной ЭВМ с запоминаемой программой началась в 1947 г. в Киеве, в Институте электротехники АН УССР, под руководством академика С. А. Лебедева (1902–1974). Практическое использование этой машины, названной МЭСМ (малая электронная счетная машина), началось в 1951 г.
Серийное производство ЭВМ началось практически одновременно в СССР и США: прототипы первых отечественных машин — БЭСМ-1, «Стрела», М-2 — были созданы в 1952–1953 гг.; в США первые серийные машины появились в 1951 г. — IВМ-701 и Univac.
Парк ЭВМ увеличивался очень высокими темпами. Если в 1952–1953 гг. число электронных машин исчислялось десятками, то в 1965 г. во всем мире использовалось уже около 40 тыс. ЭВМ, в 1970 г. — свыше 100 тыс.
Говоря об областях применения первых цифровых ЭВМ, следует отметить, что наряду с научными расчетами достаточно четко обозначилась другая весьма обширная область применения ЭВМ — экономические расчеты. Появились ЭВМ, специально сконструированные для этих целей. В основном это были машины последовательного действия: последовательно выполняющие операции над десятичными числами, представленными в двоичной форме, т. е. использовали так называемую десятичную двоично-кодированную систему счисления. Особенностью этих машин является также то, что они обладают большими, по сравнению с ЭВМ для научных расчетов возможностями обработки буквенной информации. Машины этого типа получили широкое распространение.
В своем развитии от первых электронных вычислительных машин с программным управлением до современных ЭВМ вычислительная техника прошла несколько этапов. С каждым таким этапом обычно связывают понятие «поколения» ЭВМ.
К первому поколению ЭВМ (приблизительно 1950–1958 гг.) относятся ламповые, т. е. ЭВМ, построенные на электронных лампах с использованием дискретных радиодеталей и методов навесного монтажа. Почти все элементы, применяемые в этих ЭВМ, заимствованы из радиотехнического оборудования.
Первые запоминающие устройства строились на основе электронных ламп, электронно-лучевых трубок или магнитных барабанов и лент.
Дискретные электронные элементы на лампах были громоздкими, малонадежными, отличались высокой стоимостью и большим энергопотреблением. Все это существенно ограничивало возможности построения сложных устройств ЭВМ (арифметических, управления и др.). ЭВМ первого поколения работали в однопрограммном режиме, отсутствовало совмещение работы отдельных устройств во времени, что в целом наряду с низким быстродействием элементов отрицательно сказывалась на общей производительности ЭВМ.
Ко второму поколению относятся полупроводниковые ЭВМ (примерно 1959–1967 гг.), в которых электронные лампы были полностью заменены транзисторами[368]. В технологии изготовления ЭВМ второго поколения широко применялись методы печатного монтажа.
В ЭВМ второго поколения были применены новые принципы и средства организации работы машин: совмещение операций ввода и вывода данных с вычислениями на центральном процессоре (т. е. в той части машины, которая предназначена собственно для вычислений), повышение быстродействия процессора за счет параллельного во времени выполнения частей одной-двух команд.
Структурно-логические решения, заложенные в наиболее совершенные ЭВМ второго поколения, сделали естественным одновременный ввод и исполнение нескольких программ — так называемое мультипрограммирование. С этим режимом работы ЭВМ связано понятие пакетной обработки информации: в ЭВМ загружается пакет нескольких программ с соответствующими данными. Управляющие программы, предназначенные для реализации режима мультипрограммирования, разработанные для ряда ЭВМ в 60-х годах, являются прообразом операционных систем ЭВМ, относимых к третьему поколению.
Важным достижением вычислительной техники 60-х годов явилось широкое внедрение методов и средств автоматизации программирования.
Программы для первых ЭВМ составлялись на языке команд, используемом индивидуально для каждой конкретной машины. В процессе совершенствования ЭВМ такой метод становится не только неудобным, но и непригодным, если речь идет об описании сложных алгоритмов. Поэтому параллельно с техническим совершенствованием ЭВМ идет работа по созданию универсальных языков, пригодных для широкого класса машин. Важную роль в развитии программирования сыграли работы советских математиков А. А. Ляпунова и М. Р. Шура-Бура, создавших в 1952–1953 гг. так называемый операторный метод программирования. Впоследствии были разработаны универсальные языки, получившие широкое распространение в 60-х годах (АЛГОЛ — от англ. Algorithmic Language, ФОРТРАН — от англ. FORmula TRANslation, КОБОЛ и др.).
В середине 60-х годов появились так называемые интегральные схемы. Интегральная технология позволила в едином технологическом процессе создавать на миниатюрной монокристаллигческой пластинке полупроводника (кремния, германия) значительное количество логических элементов.
Если первые интегральные схемы (ИС) имели малый уровень интеграции (несколько логических элементов на кристалле), то в 70-х годах появились ИС среднего уровня интеграции (СИС), содержащие от нескольких десятков до нескольких сот элементов. Следующий этап интегральной технологии связан с созданием ВИС — больших интегральных схем (тысячи элементов).
368
Транзистор, один из самых замечательных приборов XX в., был изобретен в 1947 г. тремя американскими физиками — У. Шокли, Д. Бардином и У. Браттейном. Им удалось создать твердотельный электронный усилитель, который выполнял все функции электронной лампы, но не имел ее недостатков, таких, как раскаленный катод, необходимость наличия вакуума в рабочем объеме и т. д.