Элементной базой в ЭВМ называется их основная электронная составляющая. Эта составляющая меняется в зависимости от поколения компьютеров. Поколения элементной базы ЭВМ объясняют историю развития компьютеров на основе эволюционирующих технологий. С каждым новым поколением компьютерные схемы, их размеры становились все миниатюрнее, скорость обработки информации удваивалась, память стала больше, а удобство и надежность улучшались. Временная шкала, заданная для определения каждого поколения, важна для понимания того, что является элементной базой ЭВМ. Но она не определена до конца и считается довольно условной. Поколения элементной базы фактически основаны на эволюционирующей технологии чипов, а не на каких-либо конкретных временных рамках.
Первое поколение ЭВМ
Пять поколений компьютеров можно охарактеризовать электрическим током, протекающим:
- в вакуумных трубках;
- в транзисторах;
- в интегральных схемах;
- в микропроцессорных чипах;
- в интеллектуальных устройствах, способных к искусственному интеллекту.
Первое поколение ЭВМ появилось в 1940-е-1950-е годы. Компьютеры первого поколения на самом деле были первыми универсальными и настоящими цифровыми компьютерами. Они появились, чтобы заменить электромеханические системы, которые были слишком медленными для назначенных задач. Первые компьютерные генераторы использовали вакуумные трубки для коммутации. Запечатанное стекло позволяло, чтобы ток протекал по беспроводной сети от нитей к металлическим пластинам.
Как работали первые компьютеры
Элементная база компьютера, трубки, были изготовлены из герметичных стеклянных емкостей размером с лампочку. В системе не было движущихся частей. Элементной базой первого поколения были лампы, которые назывались диодами и триодами. Вход и выход осуществлялись при помощи перфокарт, магнитных барабанов, пишущих машинок и считывателей перфокарт. Интерфейс систем был выполнен с использованием плагинов и машинного языка.
Элементную базу ЭВМ первого поколения было сложно использовать. Техники соединяли электрические цепи, подключив многочисленные кабели к разъемам. Затем они использовали специальные перфокарты и ждали несколько часов, чтобы получить результат для какой-либо формы вычислений. Первые ЭВМ были настолько большими, что занимали целые комнаты. Язык ассемблера и программное обеспечение операционной системы еще отсутствовали. Системы могли решать только одну проблему за раз. Эти машины были предназначены для операций низкого уровня, и программирование выполнялось с использованием только двоичных цифр 0 и 1.
ENIAC — самый мощный из первых компьютеров
Одним из самых выдающихся компьютеров в эту эпоху был ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), спроектированный и построенный инженером Джоном Мокли и Джоном Преспером Эккертом из Университета Пенсильвании. Его сборка была выполнена командой из пятидесяти человек. ENIAC был в 1000 раз быстрее, чем предыдущие электромеханические компьютеры , но гораздо более медленным при перепрограммировании.
Среди прочего, ENIAC использовался для изучения возможностей термоядерного оружия, стрельбы баллистической артиллерией и термическим зажиганием двигателя, а иногда для прогнозов погоды. Эти системы были огромны по размеру и занимали целые комнаты, используя много электроэнергии, что сделало их источником невыносимого тепла.
Универсальный автоматический компьютер
UNIVAC (универсальный автоматический компьютер) был создан все теми же инженерами — Джоном Мокли и Джоном Преспером Эккертом. Компьютер был первым в той же эпохе, который был разработан для коммерческих целей, помимо военного использования. Используя свою элементную базу, он довольно хорошо манипулировал алфавитом и цифрами и использовался Бюро переписи населения США для перечисления общего населения.
Позднее он применялся для составления отчетов по продажам компаний и даже для предсказаний результатов президентских выборов в 1952 году. В отличие от более 17 000 вакуумных труб в ENIAC, UNIVAC I использовал чуть более 5000 вакуумных ламп. Он был также вдвое меньше своего предшественника. Было продано более 46 этих ЭВМ.
Компьютеры второго поколения: 1950-1960-е годы
ЭВМ второго поколения представляли собой компьютеры, в которых вместо вакуумных ламп использовались транзисторы. Это и была элементная база второго поколения. Новые компьютеры были лучше, чем их предшественники во многом из-за сравнительно небольшого размера, скорости и более низкой стоимости. Транзисторы являются строительными блоками практически любого микрочипа, а также они более надежные, энергоэффективные и способны проводить электричество быстрее и лучше, чем вакуумные трубки.
Как и трубки, элементная база ЭВМ второго поколения, включавшая транзисторы, являлась переключателями или электронными затворами, которые используются для усиления или управления током или включения или выключения электрических сигналов. Транзисторы называются полупроводниками, поскольку они содержат элементы, которые находятся между проводниками и изоляторами.
Изобретение транзисторных полупроводников
Транзисторные полупроводники были изобретены в Bell Laboratories в 1947 году учеными Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттентом, но не выпускались до середины 1950-х годов. Инженеры и создатели новой элементной базы видели будущее компьютеров второго поколения в совершенствовании процедур ввода и вывода данных.
Первоначально эти процессы были похожи на последние модели компьютеров первого поколения. Работа являлась довольно трудоемкой и утомительной, потому что включала в себя труд несколько сотрудников, которые носили перфокарты из комнаты в комнату.
Пакетная система передачи данных
Для того чтобы ускорить процесс, была создана и реализована пакетная система. Она включала сбор нескольких заданий данных на несколько перфокарт и подачу их в магнитные ленты с использованием сравнительно небольшой и недорогой системы. IBM-1401 был одним из таких компьютеров. Для него использовалась операционная система IBM-7094 и Fortran Monitor System.
Когда обработка данных была завершена, файлы переносились обратно на магнитную ленту. Используя меньшую систему, например, IBM-1401, данные можно было распечатать на несколько перфокарт в качестве вывода информации. Это были предвестники программного обеспечения операционной системы.
Характеристики компьютеров второго поколения
Затем начался процесс обновления ограничительного двоичного машинного кода до языков, которые полностью поддерживали символическое и буквенно-цифровое кодирование. Программисты теперь могли писать на ассемблерах и языках высокого уровня, таких как FORTRAN, COBOL, SNOWBALL и BASIC.
Ранние суперкомпьютеры были лишь некоторыми из машин, которые использовали транзисторы. Примерами этих систем были универсальный блок UNIVAC LARC от Sperry Rand (1960) и IBM-7030 Stretch supercomputer (1961) и мэйнфрейм CDC 6600 (1963).
Третье поколение компьютеров: 1960-1970-е годы
Элементная база третьего поколения ЭВМ — это интегральные схемы и многопрограммное программирование. Компьютеры третьего поколения использовали микросхему интегральной схемы (ИС) вместо транзисторов. Реализация этих компьютеров также соответствовала Закону Мура, в котором отмечалось, что размеры транзисторов снижались настолько быстро, что их количество на схеме удваивалось каждые 2 года.
Преимущества интегральных схем
Полупроводниковая ИС включала огромное количество транзисторов, конденсаторов и диодов. Затем они были напечатаны на отдельных частях платы. Ручное подключение конденсаторов и диодов в транзисторах было трудоемким и не полностью надежным. Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Corporation отдельно друг от друга обнаружили преимущества интегральных схем в 1958 и 1959 годах соответственно. Килби построил свою ИС на германии, в то время как Noyce - на кремниевой микросхеме.
Первой системой, использующими ИС, была IBM 360, применявшаяся для обработки как коммерческих, так и научных заданий. После размещения нескольких транзисторов на одном чипе, помимо снижения стоимости, скорость и производительность любого одного компьютера также значительно увеличились. С момента своего изобретения скорость ИС удваивалась каждые два года, что еще больше сократило размер и стоимость компьютеров.
Использование интегральных схем в современных компьютерах
Сегодня почти все электронные устройства используют некоторые формы интегральных схем, размещенных на печатных платах. В отличие от схемы ИС, взаимодействие с компьютерами улучшилось. Вместо перфокарт для ввода и вывода данных, отображение информации происходит через визуальные дисплеи, применяются клавиатуры, а также улучшенные периферийные устройства ввода.
Компьютеры теперь используют программное обеспечение операционной системы для управления оборудованием и ресурсами, что позволило системам одновременно запускать разные приложения. Это произошло из-за централизованных приложений, которые контролировали распределение памяти. Компьютеры стали доступны широкой аудитории из-за размера и справедливой стоимости.
Это поколение также открыло концепцию “компьютерного семейства”, которая побудила производителей придумать компьютерные компоненты, совместимые с другими системами. Примерами этих систем были суперкомпьютеры Scientific Systems Systems Sigma 7 (1966) и суперкомпьютеры IBM-360 (1964) и CDC 8600 (1969).
Четвертое поколение компьютеров: от 1970-х до настоящего времени
Микропроцессор, ОС и графический интерфейс — элементная база современных компьютеров. Рождение микропроцессора было в то же время рождением микрокомпьютера. Это также соответствовало закону Мура, который предсказал экспоненциальный рост транзистора и микрочипов, начиная с 1965 года. Компания Intel, ее инженеры Тед Хофф, Федерико Фаггин и Стэн Мазор в ноябре 1971 года представили первый в мире одночиповый микропроцессор Intel 4004.
То, что в первом поколении заполняло всю комнату, теперь можно было установить на ладони. Само собой, новый микрочип был таким же мощным, как компьютер ENIAC с 1946 года. Четвертое поколение и его элементарная база играет важную роль в создании различных устройств.
Процессор Intel 4004
Вскоре производители начали интегрировать эти микрочипы в свои новые компьютеры. В 1973 году был выпущен Xerox Alto из PARC. Это был настоящий персональный компьютер, в который вошли Ethernet-порт, мышь и графический интерфейс с битовым отображением, первый в своем роде. В 1974 году Intel представила 8-разрядный микропроцессор общего назначения с названием “8808”. Затем программист Гэри Арлен Килдалл приступил к созданию программного обеспечения на базе диска, известного как “Программа управления для микрокомпьютеров” (CPM). Оно стало прообразом современной элементной базы ПК.
Первый домашний персональный компьютер
В 1981 году International Business Machine представила свой первый компьютер для дома, в котором работал процессор 4004. Он был известен как IBM PC. Компания сотрудничала с Биллом Гейтсом, который купил Disk Operating System из Seattle Computer Product и распространил его с нового компьютера IBM. Архитектура IBM PC стала стандартной моделью рынка.
Создание операционной системы Windows
Apple под руководством Стива Джобса изменила программную игру, когда в 1984 году выпустила компьютер Apple Macintosh с улучшенным графическим интерфейсом (графический интерфейс пользователя), используя идею интерфейса, полученную от Xerox PARC. Обе программы управления для микрокомпьютера и операционной системы диска были операционными системами на основе командной строки, когда пользователь должен взаимодействовать с компьютером с помощью клавиатуры.
После успеха графического интерфейса Apple Microsoft интегрировала оболочную версию Windows в версии DOS 1985 года. Windows использовалась в течение следующих 10 лет, пока она не была заново изобретена как Windows 95. Это было настоящее программное обеспечение для операционной системы со всеми необходимыми утилитами.
Появление Linux
В то время как программное обеспечение стало обычным делом и корпорации начали брать за него деньги, новое движение программистов запустило Linux в 1991 году. Во главе с Linux Torvalds они стали инициаторами бесплатного проекта операционной системы с открытым исходным кодом под названием Linux. Помимо Linux, другие операционные системы с открытым исходным кодом и бесплатное программное обеспечение были распространены для обслуживания офисных, сетевых и домашних компьютеров.
Распространение мобильных устройств
В 1980-х и 2000-х годах персональные компьютеры и настольные компьютеры стали обычным явлением. Они были установлены в офисах, школах и домах, их стоимость стала приемлемой, а размер — компактным. Программное обеспечение, работающее на этих компьютерах, также стали доступнее. Вскоре микропроцессоры вышли из под монополизации настольными компьютерами и перешли на другие платформы.
Сначала появился ноутбук, а затем планшеты и смартфоны, консоли, встроенные системы, смарт-карты, которые стали популярными из-за необходимости использования Интернета во время движения. Согласно недавним исследованиям, мобильные телефоны составляли 60% всех цифровых устройств по всему миру.
Пятое поколение компьютеров: настоящее и будущее
Компьютеры пятого поколения построены на технологическом прогрессе, полученном в предыдущих поколениях компьютеров. Современные инженеры надеются на улучшение взаимодействия между людьми и машиной путем использования человеческого интеллекта и больших данных, накопленных с самого начала эпохи цифровых технологий. Они исходят из теории концепции и реализации искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения (ML).
AI - вот что является элементной базой ЭВМ поколения 5. Это реальность, которая стала возможной благодаря параллельной обработке и сверхпроводникам. Компьютерные устройства с искусственным интеллектом все еще находятся в разработке, но некоторые из этих технологий начинают появляться и использоваться, например, распознавание голоса. AI и ML могут быть неодинаковыми, но используются взаимозаменяемо, чтобы создать устройства и программы, которые достаточно интеллектуальны для взаимодействия с людьми, другими компьютерами, средой и программами.
Суть пятого поколения будет заключаться в использовании этих технологий, чтобы в конечном итоге создать машины, которые могут обрабатывать и реагировать на естественный язык, а также иметь возможность учиться и самостоятельно организовываться.
Распространение вычислительных устройств с возможностью их самообучения, реагирования и взаимодействия различными способами, основанными на приобретенном опыте и окружающей среде, также придало импульс концепции IoT (Интернет вещей). На своем пике и с правильными алгоритмами компьютеры, вероятно, будут демонстрировать высокие уровни обучения, превосходя интеллект людей. Многие проекты Искусственного интеллекта уже внедряются, а другие все еще находятся на стадии развития.
Пионерами в этой сфере являются Google, Amazon, Microsoft, Apple, Facebook и Tesla. Первые реализации начались на интеллектуальных домашних устройствах, которые предназначены для автоматизации и интеграции действий в доме, аудио и визуальных устройствах, а также автомобилей с автопилотом.
