Историческая справка развития вычислительной техники

Первые машины, выполнявшие арифметические действия, появились в XVII столетии: в 1642 г., Паскаль изобрел устройство, выполняющее сложение чисел, а в 1673 г. Лейбниц сконструировать арифмометр, позволяющий выполнять четыре арифметических действия.

В первой половине XIX в. была сделана попытка построить универсальное вычислительное устройство – аналитическую машину, которая смогла бы выполнять вычисления самостоятельно, без участия человека. Для этого она должна была исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт и иметь хранилище для накопления данных и промежуточных результатов. Технические средства того времени не позволили реализовать идею создания аналитической машины. Только спустя почти столетие, в 1943 г. с применением электромеханического реле – новинки XX в., была создана аналитическая машина.

Позже подобную аналитическую машину начали конструировать уже на базе электронных ламп, а не реле. Такая машина работала в тысячу раз быстрее, чем ее предшественница. В дальнейшем приступили к разработке новой машины, способной хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к этой работе подключился известный математик Нейман, который вскоре сделал получившее широкую известность сообщение об общих принципах функционирования универсальных вычислительных машин, получивших позднее название компьютеров.

Первый компьютер, в котором воплощены принципы Неймана, был создан в 1949 г. С того времени компьютеры стали гораздо совершеннее, но большинство из них построено на принципах Неймана.

Однако реализация новейших концепций требовала соответствующих технических решений и, конечно, элементной базы. И такой случай представился для разработчиков ЭВМ. Связан он с открытием в области полупроводников. Первый действующий транзистор был создан группой ученых из США лаборатории Bell Labs (У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн) в 1947 г. 23 декабря. С тех пор именно этот день считается днем открытия транзистора, но лишь в 1956 году его разработчикам была присуждена Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Следует отметить, что параллельно с США к созданию транзисторов в то время вплотную приблизились очень многие страны, поэтому с полной уверенностью можно говорить, что «транзистор – дитя многих родителей».

Совершенно очевидно, что крупные достижения, прежде всего, в физике во второй половине XX в. послужили базой для стремительного развития средств вычислительной техники. Поэтому неслучайно в развитии средств вычислительной техники выделяют четыре поколения, непосредственно связанных с открытиями в прикладной физике.

ЭВМ первого поколения (40-е начало 50-х годов) базировались на электронных лампах. С появлением дискретных полупроводниковых приборов связывают второе поколение ЭВМ (середина 50-х – 60-е годы). В 60-е годы создано третье поколение ЭВМ, основанное на интегральных микросхемах. Середина 60-х годов считается началом разработки ЭВМ четвертого поколения, элементная база которых включает большие интегральные схемы. В последнее время проводятся интенсивные работы по освоению не только модернизированной элементной базы ЭВМ, но и принципиально новых средств накопления, хранения и обработки информации для создания более совершенных ЭВМ следующих поколений.

Однако было бы ошибкой связывать все достижения только с иностранными специалистами Действительно, обоснование принципов построения ЭВМ с хранимой в памяти программой было осуществлено Сергеем Александровичем Лебедевым независимо от Джона фон Неймана, хотя этот факт не является достоянием общественности. В результате проводимых в СССР исследований руководимый С. А. Лебедевым году коллектив в 1948 разработал и предложил первый проект отечественной цифровой электронной вычислительной машины. В дальнейшем под руководством академика С. А. Лебедева и В. М. Глушкова разрабатывается целый ряд отечественных ЭВМ. Сначала это была МЭСМ - малая электронная счетная машина (1951 год, Киев), затем БЭСМ - быстродействующая электронная счетная машина (1952 год, Москва). Параллельно с ними реализовывались линейки "Стрела", "Урал", "Минск", "Раздан", "Наири", серия "М" и др. И это только небольшая часть из многих десятков наименований реализованных проектов. Примеров же реализации достижений отечественных ученых и инженеров довольно много. Вот лишь некоторые вехи истории развития отечественных вычислительных машин:

- 1959 г. – опытные образцы ЭВМ М-40, М-50 для систем противоракетной обороны (ПРО); ЭВМ "Минск-1", которая применялась для решения инженерных, научных и конструкторских задач; первая ламповая специализированная стационарная ЭВМ "СПЕКТР-4", предназначенная для наведения истребителей-перехватчиков и мобильная полупроводниковая ЭВМ "КУРС" для обработки радиолокационной информации;

- 1960 г. – первая полупроводниковая управляющая машина "Днепр" и первая микропрограммная специализированная ЭВМ "Тетива" для системы ПВО;

- 1961 г. – серийный выпуск ЭВМ "Раздан" малой производительности (до 5 тыс. оп/сек), предназначенных для решения научно-технических и инженерных задач;

- 1962 г. – ЭВМ БЭСМ-4; "МППИ-1", созданная в Северодонецком научно-исследовательском институте управляющих вычислительных машин для химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности; семейство малых машин "Промiнь" для автоматизации инженерных расчетов средней сложности; ЭВМ "Минск-2";

- 1963 г. – многомашинный комплекс "Минск-222";

- 1964 г. – ряд ЭВМ "Урал";

- 1965 г. – БЭСМ-6 – первая в СССР супер-ЭВМ с производительностью 1 млн. оп/сек, всего к началу 80-х гг. было построено около 350 экземпляров; полупроводниковые ЭВМ М-220 и М-222, выпускавшиеся в Казани, продолжавшие линию ЭВМ М-20 и обладавшие производительностью до 200 тыс. оп/сек;

- 1966 г. – завершение разработки проекта большой ЭВМ "Украина", предвосхитившего многие идеи американских больших ЭВМ 70-х годов;

- 1969 г. – 5Э92Б – двухпроцессорный компьютер на полупроводниках, ставший основным компьютером в первой системе противоракетной обороны (ПРО) Москвы.

Многие оригинальные разработки существенно опережали зарубежные и были по достоинству оценены зарубежными коллегами. В качестве примера можно привести ЭВМ БЭСМ-6, созданную на транзисторах. Оригинальность и перспективность использованных решений в архитектуре данной машины нередко отмечали в публичных выступлениях корифеи компьютерных наук. В этой ЭВМ были использованы виртуальная память и асинхронные конвейерные структуры. В дополнение к этому, еще в 70-е годы М. А. Карцев впервые в мире предложил и реализовал концепцию полностью параллельной вычислительной системы с распараллеливанием программ, команд, данных и слов. Эти идеи были воплощены в еще одной супер-ЭВМ – М-10, а 1978 году был разработан проект векторно-конвейерной ЭВМ М-13.

Реализуя возможности электронной промышленности, советские ученые и инженеры наладили выпуск ЭВМ нового поколения. При этом за основу серийных ЭВМ были взяты лучшие образцы зарубежной техники, например, линейка мощных ЭВМ фирмы IBM – серия 360 и 370. Соответственно, отечественные ЭВМ единой системы (ЕС) получили наименования "Ряд-1" и "Ряд-2". Не были забыты и управляющие машины. Этот класс малых машин – СМ ЭВМ был создан на основе моделей фирм HP и DEC. 1994 г. – комплекс "Эльбрус-3", созданный с применением микросхем технологий LSI, ECL и т.п., содержал 16 процессоров и был в два раза производительнее CRAY-YMP. Комплекс был изготовлен, но в серию не был запущен.

Развитие вычислительной техники с упором на зарубежные образцы несколько затормозило собственные разработки. В результате были свернуты работы по совершенствованию перспективной линейки БЭСМ – БЭСМ-8 и БЭСМ-10. Можно было ожидать реального прорыва в этой области. Не остались без внимания и персональные компьютеры. В короткий срок были разработаны и выпущены ПК серий ЕС, СМ, "Искра". Первыми моделями стали ЕС-1040, СМ1810, "Искра-1030". Их архитектура во многом была скопирована с зарубежных аналогов типа IBM PC. Кроме того, активно развивался сектор компьютеров архитектуры и системы команд фирмы DEC. Как пример можно привести ПК линеек ДВК и "Электроника". Значительно меньшее распространение получили соответствующие клоны фирмы HP. Указанная политика позволила заимствовать зарубежное программное обеспечение. Кроме того, для ПК архитектур и систем команд DEC и HP существовали совместимые мини-ЭВМ, например, СМ-3, СМ-4 и СМ-1, СМ-2.

Однако освоение зарубежного опыта не сводилось к простому копированию лучших образцов вычислительной техники и переносу программ. Основой отечественных компьютеров стали микросхемы и микропроцессоры, серийно выпускаемые в СССР. Связано это было с вопросами экономии валютных средств, а также безопасности государства. В Кроме того, имелась (и до сих пор имеется) опасность электронных "закладок" спецслужбами потенциальных противников. Еще одним успехом отечественных ученых и инженеров является выпуск в рамках проекта "Эльбрус" опытных образцов процессора, содержащего 60 млн. транзисторов и разработанного в ЗАО "МЦСТ" по оригинальной, не имеющей аналогов архитектуре EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing — микропроцессорная архитектура с явным параллелизмом команд).

Но выпуском отдельных комплектующих не исчерпываются успехи отечественных инженеров и ученых. Интегрируя отечественный и зарубежный опыт в своих разработках, они создают новые архитектуры и реализуют их в соответствующих разработках. Так, например, в процессе осуществления совместных проектов российскими и белорусскими специалистами был создан ряд многопроцессорных суперкомпьютеров. Суперкомпьютер «Ломоносов», установленный в Московском университете в 2009 году, относится к уникальным системам высшего диапазона производительности. В настоящее время он содержит 6654 вычислительных узла, более 94000 процессорных ядер, обладает пиковой производительностью 1,37 Пфлоп/с. Реальная производительность системы на тесте Linpack равна 674 Тфлоп/с, что позволило ему занять в июне 2011 года 13-ое место в списке Top500 самых мощных компьютеров мира. За последние годы суперкомпьютерные технологии в Московском университете сформировались в мощный научно-образовательный комплекс, отражающий приоритетное внимание государства к использованию суперкомпьютерных технологий для инновационного развития России.

В декабре 2008 года по инициативе МГУ и университетов Нижнего Новгорода, Тюменского и Южно-Уральского — создан Суперкомпьютерный консорциум университетов России (hpc-russia.ru). В настоящее время Консорциум объединяет более 50 постоянных и ассоциированных членов, в числе которых крупнейшие университеты страны. В Московском университете сформирован Научно-образовательный центр «Суперкомпьютерные технологии», объединяющий представителей различных подразделений МГУ для эффективного использования потенциала суперкомпьютерных технологий в подготовке высококвалифицированных специалистов и поддержке фундаментальных научных исследований. НОЦ «Суперкомпьютерные технологии» МГУ стал головным в системе научно-образовательных центров, созданных в различных федеральных округах России в рамках проекта «Суперкомпьютерное образование», координируя их деятельность по распространению и развитию суперкомпьютерных технологий в различных регионах страны.