ЭВМ: что это такое, история и классификация поколений

О ручных и механических вычислительных машинах можно прочитать в нашей статье.

ЭВМ (электронная вычислительная машина) — это устройство для автоматической обработки информации с помощью электронных схем. Именно так в советской терминологии называли то, что сейчас мы называем «компьютер». В этой статье мы разберем, как менялись ЭВМ от ламповых монстров до современных ПК.

Электронно-вычислительные машины принято классифицировать по целому ряду признаков: по функциональным возможностям и характеру решаемых задач, по назначению, по способам организации вычислительного процесса, по конструктивным особенностям и, конечно, по поколениям.

Классификация по назначению

По назначению ЭВМ делятся на три группы:

• Универсальные ЭВМ (общего назначения) — предназначены для решения самых разных инженерно-технических, экономических, математических и информационных задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.
• Проблемно-ориентированные ЭВМ — служат для решения более узкого круга задач, связанных с управлением технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных.
• Специализированные ЭВМ — используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. К ним можно отнести микропроцессоры и контроллеры, выполняющие функции управления техническими устройствами.

Классификация по размеру и функциональным возможностям

По размерам и производительности ЭВМ разделяют на:

• Супер-ЭВМ — сверхпроизводительные вычислительные системы, самые мощные компьютеры своего времени.
• Большие ЭВМ (мэйнфреймы) — универсальные ЭВМ общего назначения, оснащавшие вычислительные центры крупных организаций.
• Средние ЭВМ — промежуточный класс между большими и мини-ЭВМ.
• Мини-ЭВМ — составляли самый многочисленный и быстро развивающийся класс, отличались малыми размерами и низкой стоимостью.
• Микро-ЭВМ — обязаны своим появлением микропроцессорам.
• Персональные компьютеры — наиболее массовый класс ЭВМ, вобравший в себя все черты больших машин.

Поколения ЭВМ

ЭВМ 1-ого поколения: 1940е—1950е

Элементная база этих ЭВМ сначала состояла из электронных реле, но затем быстро была заменена электронными лампами. Релейные компьютеры обычно не помещают в 1ое поколение, но я считаю что это незаслуженно.

Электронное реле (для телеграфного аппарата) было изобретено в 30-е годы XIX века русским ученым Шиллингом. Работа реле основана на явлении индукции. Реле состоит из катушки, по которой течет электрический ток, и якоря. Если по катушке течёт ток, то якорь втягивается в катушку и замыкает (или размыкает, в зависимости от конструкции) контакт. Это приводит к пропусканию тока (логическая единица) или не пропусканию (логический ноль).

В ЭВМ реле используют для организации процесса вычисления с помощью логических схем (вентилей) И, ИЛИ, НЕ.

Первая электронная лампа (диод) была создана в 1904 году Джоном Флемингом. Триод был изобретён в 1906 году Ли де Форестом. В ЭВМ чаще всего использовали электронные лампы в виде триода, состоящего из катода, сетки и анода.

Катод испускает электроны (это явление называется электронной эмиссией). В качестве материалов используют торий или барий. Сетка находится между катодом и анодом и служит затвором: если на неё подаётся положительное напряжение, то электроны проходят через неё и попадают на анод. Иначе, при отрицательном токе, количество электронов, попавших на анод, сильно уменьшается. А при большом отрицательном напряжении, электроны не проходят через сетку и скапливаются в пространстве между ней и катодом. Это приводит к запиранию. Анод это положительный электрод, принимающий электроны, вылетающие с катода. Анод изготавливают из никеля или молибдена.

Также в ЭВМ первого поколения широко применялись триггеры. Под названием «катодное реле» изобретено отечественным ученым М. А. Бонч-Бруевичем в 1918 г. Триггер это система из двух триодов. Триггер имеет два состояния: правый триод открыт, левый закрыт, и наоборот. В любом из этих двух состояний система может пребывать то тех пор, пока не поступит новый сигнал.

Типичные представители ЭВМ 2ого поколения:

• МЭСМ (1951) Главный инженер С.А. Лебедев (Киев) Первая в СССР и Европе ЭВМ. Состояла из ~6000 ламп, производительность 50 оп/с.
• М-1 (1952) Главный инженер И.С. Брук (Москва). Первая в мире ЭВМ с логикой на полупроводниковых диодах. Состояла из 730 ламп.
• БЭСМ-1 (1953) Главный инженер С.А. Лебедев (ИТМиВТ), Самая быстрая в Европе: 8–10 тыс. оп/с.
• «Стрела» (1953) Главный инженер Ю.Я. Базилевский (СКБ-245) Первая серийная советская ЭВМ. 7 машин.
• «Урал-1» (1955) Главный инженер Б.И. Рамеев. Малая ЭВМ для инженерных расчётов. Выпущено 183 машины.
• М-20 (1959) Главный инженер С.А. Лебедев. Производительность 20 тыс. оп/с — «самая быстродействующая в мире».
• «Минск-1» (1960) Главный инженер Г.П. Лопато. Первая белорусская ЭВМ. 230 машин.

ЭВМ 2-ого поколения: 1950е-1960е

БЭСМ-6 — величайшее достижение советского компьютеростроения, лучшая машина, созданная за 40 лет этого самого -строения, последний шедевр академика С.А.Лебедева. Кто входил в машинный зал (именно зал — метров 200, не меньше), сразу ощущал — да, это суперкомпьютер! Огромные, уходящие вдаль, теряющиеся в затемненных глубинах зала ряды серых шкафов. Линейка лентоводов, их было штук 16, если не больше, — ленты располагались вертикально друг над другом. А за лентоводами в полумраке тяжко гудят магнитные барабаны на массивных чугунных станинах. У входа в зал— устройства ввода-вывода. И сколько же их! Для перфокарт, для перфолент. Два барабанных принтера (АЦПУ) молотят беспрерывно. А посредине — центральный пульт управления: из четырех секций, состыкованных под углом и как бы обнимающих оператора полукругом. На пульте — тысячи мигающих светодиодов, индицирующих состояние ячеек памяти, регистров и т.д.
До сих пор помню, какое невероятное впечатление производило одновременное бешеное вращение магнитных лент и непрерывная печать — наглядная демонстрация работы многозадачной операционной системы разделения времени с пакетным планировщиком заданий и спулером печати. На прежних машинах достичь такого эффекта было невозможно, там ты сам пошагово инициировал работу машины, которая ощущалась именно машиной, от тебя зависящей.
Конфигурация машины постоянно наращивалась. Поначалу памяти было 32 килослова (по 48 бит), потом ее учетверили. Кажется в 1970 году появилась ОС «Диспак» и к машине подключили маленькие аккуратненькие дисплеи Videoton — показывали 16 строк текста. Это была подлинная революция в общении с компьютером — программист сидел за экраном, правил программу, не сходя с места отправлял на отладку-счет и на экране же видел результаты… Вообще, машина была на удивление современная: виртуальная память страничной организации со своппингом на барабаны, мультизадачность, защита памяти, конвейеризация…

Воспоминания советского еврея-программиста

При создании второго поколения ЭВМ элементная база была основана на полупроводниковых приборах. Полупроводники используются для изготовления диодов, транзисторов.
Полупроводниками называются вещества, по своим электропроводящим свойствам находящиеся между изоляторами (в которых свободных зарядов нет вовсе) и проводниками (в которых есть свободные заряды). Примерами полупроводников являются германий и кремний.
Свойства проводимости полупроводников зависят от условий среды, а так же от наличия атомов примесей. Чтобы придать полупроводнику определённые свойства, его легируют, то есть вносят примеси в очень малых количествах.

В полупроводниках существуют два типа зарядов – электроны (n – «negative», указывает на заряд электрона) и дырки (p – «positive», указывает на заряд атома, отдавший электрон). Атомы последовательно «перехватывают» электрон, благодаря чему движется дырка.
В чистых проводниках число дырок равно числу электронов. Но тут на помощь приходят примеси, при добавлении которых получается полупроводник-донор — он содержит большее кол-во электронов (n-тип) или полупроводник-акцептор (p-тип).

Полупроводниковый диод это полупроводниковый прибор с двумя выводами и электрическим p-n-переходом. P-n-переход так же называется электронно-дырочным.
Если подключить диод так, чтобы потенциал полупроводника p-типа был положительным, а n-типа отрицательным, то через p-n-переход потечёт ток. Такое положение называется пропускным или включение в прямом направлении.
Если же поменять полюса источника, то цепь окажется разомкнутой (т.к. атомы в p-типе притянут отрицательные электроны, идущие от источника питания, а электроны в n-типе получат свои атомы, пришедшие также с источника). Такое положение называется не пропускным или включение в обратном направлении.

Так и на электронных лампах, на транзисторах можно собирать триггеры. Их алгоритмы работы полностью совпадают. Транзистор – полупроводниковый прибор, имеющий три вывода.
В основном, различают биполярные и полевые транзисторы, обладающие разной структурой. Наиболее распространены биполярные транзисторы со структурой n-p-n. Внешние слои называются эмиттером и коллектором, а средний – базой. Можно провести аналогию с электронной лампой: база – управляющая сетка, эмиттер – катод, коллектор – анод.

Устройство ввода – устройство чтения с перфокарт или перфолент. Для записи на перфоленту используются телетайпы (электромеханический прибор, преобразующий символьный текст программы в последовательность пробитых или не пробитых мест на перфокарте или перфоленте). Для ввода данных использовались считыватели с перфоленты, принцип действия которых основан на световых лучах (пробито отверстие – свет от излучатели попал на фотоприёмник – получен 1, не пробито – свет не прошёл – получен 0).

Память только оперативная (после выключения питания, её содержимое стиралось) — на магнитных ключах. Магнитный ключ состоит из сердечника – ферритового кольца и обмотки. Если подать импульс электрического тока по входной обмотке, то в сердечнике возникнет магнитное поле. Для считывания импульс надо подать ещё раз. При этом сердечник перемагнитится, и одновременно возникнет электрическое поле, которое по выходной обмотке «пронесёт» импульс считанной единицы. Однако, одновременно сотрётся и бит информации, хранимый на катушке.

Типичные представители ЭВМ 2ого поколения:

• «Раздан-2» (1961) ЕрНИИММ (Ереван), первая в СССР полностью полупроводниковая ЭВМ.
• «Днепр» (1961) В.М. Глушков (Киев), первая полупроводниковая управляющая машина. Выпущено >500 шт.
• БЭСМ-4 (1962) ИТМиВТ. Производительность 20 тыс. оп/с. Выпущено 30 машин.
• «Минск-2/22» (1962/1964) Главный инженер В.В. Пржиялковский. Производительность 5–6 тыс. оп/с. Выпущено >850 шт.
• «Урал-11/14/16» (1965) Главный инженер Б.И. Рамеев. Первое советское семейство совместимых ЭВМ.
• «Наири» (1964) ЕрНИИММ. Микропрограммная ЭВМ для инженерных расчётов.
• «МИР-1» (1965) В.М. Глушков (Киев). ЭВМ с языком высокого уровня «Аналитик».
• «Минск-32» (1968) Главный инженер В.В. Пржиялковский. 30–35 тыс. оп/с. Самая массовая ЭВМ 2-го поколения, выпущено ~2900 шт.

ЭВМ 3-его поколения: 1960е-1970е годы

Что такое мэйнфрейм? Это большой зал, заставленный шкафами гудящего и стрекочущего оборудования. Это множество людей, снующих туда-сюда с распечатками, перфокартами, магнитными лентами и паяльниками. А что такое мини-ЭВМ? То же, но в миниатюре: комнатка, стойка в две-три секции, рядом дисплей, иногда поодаль еще парочка экранов, принтер. И никаких тебе фальш-полов с кабельной разводкой и стационарных систем вентиляции-охлаждения — провода проброшены прямо по полу, а в окно врезан комнатный кондиционер. Мини-ЭВМ по сравнению с мэйнфреймом беднее, меньше и дешевле. Последнее обстоятельство и погубило машины ЕС: настоящими мэйнфреймами, одновременно обслуживающими сотни или хотя бы десятки пользователей, они стать не смогли, а обслужить двоих-троих с успехом могла относительно дешевая СМ или «Электроника»…

Существенно полегчало снаряжение программиста. Когда приходилось тащить на себе диски, то это были не тяжеленные ЕС-овские, а куда более легкие и компактные дисковые кассеты. Из сумки исчезли перфокарты. Все мини-машины были оснащены дисплеями и бумажные средства общения с компьютером ушли из нашей жизни.

С массовым внедрением мини-ЭВМ связано и явление «обезлюдивания» вычислительных центров. В машинном зале мэйнфрейма днем толклась уйма народу: операторы ЭВМ, бригада электронщиков, программисты, работники эксплуатационных служб АСУ, операторы подготовки данных, ответственные за контроль информации, архивирование, системную поддержку. А теперь посмотрим, что делается на мини-машине. В комнатушке уткнулись в экраны два программера да из-за стойки торчат ноги электронщика. А когда программеры написали свои программы и их стали применять, то ничего не изменилось: в комнатушке уткнулись в экраны два инженера-расчетчика, а из-за стойки, по-прежнему, торчат ноги электронщика. И посредники между компьютером и конечным пользователем стали не нужны! С переходом на малые машины теряло смысл само понятие вычислительного центра как самостоятельной организационной структуры, отдельного помещения или здания. Недаром мини-ЭВМ назывались средствами автоматизации уровня отделов, лабораторий, рабочих групп. Их можно было запросто поднять на нужный этаж, поставить в лаборатории, в закутке рядом с бухгалтерией. Можно было даже установить дисплей прямо на рабочее место.

 Воспоминания советского еврея-программиста

Элементная база ЭВМ третьего поколения — интегральные схемы. Интегральная схема это электронная схема, изготовленная (вытравленная) на полупроводниковом кристалле. Первая интегральная схема представлена в 1961 фирмой Fairchild Semiconductor – содержит четыре транзистора и другие компоненты, умещающиеся на кристалле площадью 5…10 мм². На интегральной схеме могут быть расположены транзисторы и сопротивления.

Постепенно размер кристалла увеличивался, а на нём умещалось всё больше элементов. Так появилась БИС (большая интегральная схема), содержащая до 10 тыс. элементов. Следующим шагом развития стали СБИС (сверх большие интегральные схемы), содержащие около 100 тыс. элементов.

В 1965 Гордон Мур (один из основателей Intel) предположил, что количество транзисторов на микросхеме будет в среднем удваиваться каждые 24 месяца.

Типичные представители ЭВМ 3ого поколения:

• ЕС-1020 (1971) НИИЭВМ (Минск). Первая модель Единой системы (ЕС ЭВМ). Клон IBM/360.
• ЕС-1050 (1973) НИЦЭВТ (В.С. Антонов). Старшая модель «Ряда-1». 500 тыс. оп/с.
• ЕС-1060 (1977) НИЦЭВТ (В.С. Антонов). 1 млн оп/с. 313 машин.
• СМ-3/СМ-4 (1978/1979) ИНЭУМ (Б.Н. Наумов) Первые модели Системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Аналоги PDP-11.
• «Эльбрус-1» (1979) ИТМиВТ (В.С. Бурцев) Многопроцессорный суперкомпьютер. До 15 млн оп/с.

ЭВМ 4-ого поколения: с 1970х

Об устройстве центрального процессора можно прочитать в нашей статье.

15 ноября 1971 корпорация Intel представляет миру первый микропроцессор Intel 4004 — СБИС, содержащую процессор (регистры, АЛУ, блок управления). Площадь его кристалла 12 мм², технические нормы 10 мкм, содержит 2300 биполярных транзисторов. Максимальная тактовая частота 750 кГц. Авторство принадлежит Теду Хоффу.

В качестве постоянного запоминающего устройства (ПЗУ, ROM — «Read only memory») используется принцип пропускания или не пропускания электрического сигнала. Простейший пример – PROM (память, которая программируется, записывается, один раз) содержит перемычки, которые при пропускании большого тока испаряются. Более сложный, но и надёжный пример – EPROM. В ней используется специальный тип полевых транзисторов (транзисторы с плавающим затвором), который меняет свою структуру при пропускании тока, большего чем используется в цифровых схемах. Для стирания записанных данных, необходимо облучить кристалл ультрафиолетом, который рассеивает заряд, хранящийся в транзисторе и изменяет его структуру на начальную, нейтральную.

Сменное магнитное запоминающее устройство использует эффект постоянства направления магнитных линий после намагничивания. Головка записи намагничивает участок магнитной поверхности носителя: часть магнитной ленты, магнитного барабана, магнитного диска (жёсткого или гибкого). После чего намагниченное состояние этого участка остаётся до тех пор, пока на него не начнут воздействовать магнитным полем. Толщина магнитного слоя на поверхности очень мала, основную толщину составляет подложка (пластик или металл).

О эволюции носителей информации можно прочитать в нашей статье.

Оперативная память (Random Access Memory, RAM) бывает двух типов: динамическая или статическая.
На кристалле микросхемы динамической оперативной памяти (DRAM) расположено поле ячеек, состоящих из транзистора и конденсатора. Конденсатор сохраняет данные некоторое время, после чего разряжается и возникает опасная ситуация – возможна потеря данных. Чтобы избежать этого, используются специальные схемы регенерации памяти, подающая ток на конденсаторы.

Статическая оперативная память (SRAM) основана на триггерах, поэтому содержит больше элементов на ячейку памяти (6 транзисторов), однако не требует схем регенерации и работает с большой скоростью.

Типичные представители ЭВМ 3ого поколения:

• «Эльбрус-2» 1985 ИТМиВТ (В.С. Бурцев) 10-процессорный суперкомпьютер, производительность 125 млн оп/с.
• ЕС-1066 1985 НИЦЭВТ (Ю.С. Ломов) Производительность 12,5 млн оп/с. Выпущено 422 машины.
• ЕС-1087.20 1988 НИЦЭВТ (Ю.С. Ломов) Двухпроцессорная. Производительность 15 млн оп/с.
• СМ-1700 1987 ИНЭУМ / ПО «Сигма» 32-разрядная, VAX-совместимая.
• ДВК-1/ДВК-2/ДВК-3/ДВК-4 НИИТТ НПО «Научный центр» (г. Зеленоград)
• БК-0010 1983 НИИТТ (МЭП) Первый массовый 16-разрядный домашний ПК. Выпущено >160 тыс. шт.
• «Агат» 1984 НИИВК (МРП) Первый советский ПК для школ.
• ЕС-1840/1841 1986/1987 НИИЭВМ (Минск) Клоны IBM PC.
• «Поиск» 1989 НПО «Электронмаш» (Киев) Компактный и оригинальный IBM PC/XT-совместимый ПК.

ЭВМ 5-ого поколения

Пятое поколение ЭВМ — это будущее, которого мы пока не достигли. Ранее под ним понимали компьютеры на основе биочипов (чтобы это не было) или искусственного интеллекта, но сейчас этот термин практически не используется.