Глава 2

Аппаратное обеспечение первых компьютеров (1950-1960 гг.)

Десятилетие между 1950 и 1960 годами ознаменовало переход от теории к практике с созданием и продажей первых электронных компьютеров. Эти новаторские машины, несмотря на свои огромные размеры и ограниченные вычислительные возможности по сравнению с сегодняшними стандартами, представляли собой эпохальный технологический скачок. В этой главе мы рассмотрим основные аппаратные технологии, которые характеризовали этот ранний этап, от электронных ламп до ранних систем памяти и устройств ввода-вывода.

2.1 Термоэмиссионные клапаны:
Электронное сердце первых компьютеров

Ранние электронные компьютеры, такие как ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер), использовали электронные лампы (или электронные лампы) в качестве ключевых электронных компонентов для обработки и хранения информации. Вакуумная лампа — это вакуумное электронное устройство, содержащее нагретую нить накала (катод), излучающую электроны. Эти электроны притягиваются к положительно заряженному электроду (аноду), и поток электронов можно контролировать с помощью сетки, расположенной между катодом и анодом.

Электронные лампы могут выполнять несколько важных функций в компьютерных электронных схемах:

Переключатели: Используются для реализации основных логических операций (И, ИЛИ, НЕ), необходимых для цифровой обработки. Наличие или отсутствие напряжения в сети могло контролировать поток тока между катодом и анодом, действуя как электронный переключатель.
Усилители: Способны увеличивать амплитуду электрического сигнала, что является важной функцией для поддержания целостности сигналов в сложных компьютерных схемах.

Использование термоэмиссионных клапанов позволило достичь значительно более высоких скоростей вычислений по сравнению с предыдущими электромеханическими калькуляторами на основе реле. Однако эта технология также имела несколько существенных ограничений:

Размер и вес: Клапаны были физически громоздкими, а такой компьютер, как ENIAC, который содержал примерно 18 000 клапанов, занимал целую комнату и весил несколько тонн.
Потребляемая мощность: Клапанам требовалось значительное количество электроэнергии для нагрева нити накала, выделяя большое количество тепла. ENIAC, например, потреблял около 150 кВт энергии.
Надежность: Клапаны были хрупкими и имели ограниченный срок службы. Выход из строя одного клапана мог привести к отключению всей системы, а первые компьютеры были склонны к частым сбоям. Замена клапанов была сложной и трудоемкой операцией.
Стоимость: Производство и использование большого количества ламп сделало ранние компьютеры чрезвычайно дорогими.

Несмотря на эти ограничения, электронные лампы представляли собой доминирующую технологию создания электронных компьютеров в 1940-х и 1950-х годах, открывая путь к новым возможностям в области автоматических вычислений.

2.2 Первые системы памяти:
От электронного к магнитному запоминающему устройству

Способность быстро и надежно хранить информацию (как данные, так и инструкции) была фундаментальным требованием для функционирования компьютеров. На заре вычислительной техники было разработано несколько технологий создания памяти:

Лампы Williams: Разработанные в Манчестерском университете Фредди Уильямсом и Томом Килберном, лампы Williams были одной из первых форм оперативной памяти (ОЗУ). Они были основаны на использовании электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), аналогичной тем, которые использовались в старых телевизорах. Информация хранилась в виде электростатического заряда на поверхности трубки. Электронный луч использовался для записи («осаждения») или считывания («обнаружения») заряда. Наличие или отсутствие заряда в определенной точке представляло собой некоторую информацию. Трубки Уильямса обеспечивали относительно быстрое время доступа для того времени, но имели ограниченную емкость (обычно несколько сотен бит), а заряд имел тенденцию быстро рассеиваться, требуя периодического «обновления».
Память на магнитном барабане: Еще одной ранней и широко используемой технологией памяти была память на магнитном барабане. Он представлял собой вращающийся металлический цилиндр, покрытый ферромагнитным материалом.

Информация записывалась и считывалась фиксированными магнитными головками, расположенными вблизи поверхности барабана. Каждая кольцевая дорожка на барабане могла хранить последовательность битов. Чтобы получить доступ к конкретной информации, нужно было дождаться вращения нужной части барабана, пока она не достигнет головки чтения/записи. Память с магнитным барабаном предлагала большую емкость, чем трубки Уильямса (до десятков тысяч бит), но имела значительно более медленное время доступа из-за необходимости ждать механического вращения барабана. Они использовались в качестве основной памяти или вторичной (массовой) памяти в ранних компьютерах.

Ртутные линии задержки: Используемые в EDVAC и других ранних компьютерах ртутные линии задержки хранили данные в виде звуковых импульсов, которые распространялись через трубку, наполненную ртутью. Преобразователь на одном конце трубки преобразовывал электрические импульсы в звуковые волны, которые проходили через ртуть и преобразовывались обратно в электрические импульсы на другом конце. Скорость распространения звука в ртути определяла время задержки, и данные можно было «рециркулировать» через трубку для хранения. Линии задержки Mercury имели большую пропускную способность, чем трубки Уильямса, но были чувствительны к изменениям температуры и имели последовательное время доступа.
Память с ферритовым сердечником (память с магнитным сердечником): К концу 1950-х годов появилась более надежная и высокопроизводительная технология памяти: память с ферритовым сердечником. Он представлял собой сетку из небольших колец (сердечников) из ферромагнитного материала. Каждое ядро можно было намагничивать в двух противоположных направлениях, что соответствует двоичным значениям 0 и 1.

Ядра пересекались проводящими проводами, которые позволяли записывать и считывать состояние намагниченности. Память с ферритовым сердечником обеспечивала более быстрое время доступа и большую надежность, чем предыдущие технологии, и стала доминирующей технологией основной памяти для компьютеров в 1960-х и 1970-х годах.

2.3 Архитектура первых мейнфреймов:
ENIAC и UNIVAC I

Ранние электронные компьютеры часто представляли собой огромные машины, предназначенные для научных и военных вычислительных задач. Двумя символическими примерами этой эпохи являются ENIAC и UNIVAC I:

ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер): Построенный в Пенсильванском университете между 1943 и 1945 годами, ENIAC часто считается первым электронным компьютером общего назначения. Он был разработан в первую очередь для расчета таблиц стрельбы артиллерии армии США. ENIAC использовал почти 18 000 электронных ламп и занимал площадь около 167 квадратных метров. Его программирование представляло собой сложный ручной процесс, требовавший физической реконфигурации соединений с помощью кабелей и переключателей. Несмотря на свои ограничения, ENIAC продемонстрировал потенциал электронных вычислений и смог выполнять вычисления в сотни раз быстрее, чем предыдущие механические калькуляторы. ENIAC не следовал архитектуре фон Неймана, поскольку инструкции программы были отделены от данных.
UNIVAC I (Универсальный автоматический компьютер I): Разработанный Дж. Преспером Эккертом и Джоном Мочли (тех же создателями ENIAC) и построенный их компанией Eckert-Mauchly Computer Corporation, UNIVAC I был первым электронным компьютером, коммерчески производимым в Соединенных Штатах.

Первый UNIVAC I был доставлен в Бюро переписи населения США в 1951 году. В отличие от ENIAC, UNIVAC I был разработан как для научных, так и для коммерческих приложений и был первым компьютером, который использовал магнитную ленту для ввода и вывода данных, что представляет собой значительный прогресс по сравнению с перфокартами. UNIVAC I принял архитектуру, более близкую к модели фон Неймана, с инструкциями и данными, хранящимися в одном и том же блоке памяти (хотя и с некоторыми различиями). Его появление ознаменовало начало эры коммерческих компьютеров и открыло новые перспективы для автоматизации бизнес-процессов.

Помимо ENIAC и UNIVAC I, в этот период было разработано множество других новаторских компьютеров, таких как EDSAC (автоматический калькулятор с электронной задержкой хранения) в Кембриджском университете, который был одним из первых компьютеров, полностью реализовавших архитектуру фон Неймана, и IBM 701, первый научный компьютер, произведенный IBM.

2.4 Первые устройства ввода/вывода:
Перфокарты и магнитные ленты

Взаимодействие с ранними компьютерами требовало использования специальных устройств для ввода данных и инструкций и вывода результатов:

Перфокарты: Перфокарты были одним из основных методов ввода данных для ранних компьютеров. Информация была закодирована путем пробивания отверстий в определенных местах на картонной карте. Каждый столбец на карточке представлял собой символ или число. Считыватели перфокарт интерпретировали наличие или отсутствие перфорационных отверстий для ввода данных и инструкций в компьютер. Перфокарты были относительно медленным и подверженным ошибкам методом, но для того времени они были стандартом.
Магнитная лента: UNIVAC I был первым компьютером, который использовал магнитную ленту в качестве основного носителя для ввода и вывода данных. Данные хранились в виде магнитных рисунков на пластиковой ленте, покрытой ферромагнитным материалом. Магнитные ленты обеспечивали большую плотность хранения и скорость передачи, чем перфокарты, но доступ к данным был последовательным, а это означало, что для доступа к определенной части информации вам приходилось прокручивать всю ленту до этой точки. Магнитные ленты стали важным средством хранения больших объемов данных.
Принтеры: Результаты расчетов часто печатались на бумаге с помощью принтеров. Ранние принтеры часто были механическими или электромеханическими и имели ограниченную скорость печати.

2.5 Вызовы и инновации

Создание и эксплуатация первых компьютеров представляли собой многочисленные инженерные и логистические проблемы. Сложность схем на электронных лампах делала системы дорогими, энергоемкими и склонными к сбоям. Программирование было сложной задачей, которая часто требовала детального понимания аппаратной архитектуры. Управление и хранение данных с помощью перфокарт и магнитных лент было ручным и трудоемким процессом.

Несмотря на эти проблемы, 1950-е годы были временем интенсивных инноваций. Исследования и разработки были сосредоточены на повышении надежности, скорости и мощности компьютеров. Появление памяти с ферритовым сердечником в конце десятилетия стало значительным шагом на пути к более эффективным системам памяти.

Растущее понимание принципов компьютерной архитектуры и появление первых языков программирования высокого уровня заложат основу для последующего взрыва вычислений.

Аппаратное обеспечение первых компьютеров 1950-х годов характеризовалось использованием новых технологий, таких как электронные лампы и ранние системы памяти (лампы Вильямса и магнитные барабаны). Архитектура первых мейнфреймов, таких как ENIAC и UNIVAC I, представляла собой радикальную инновацию в области автоматических вычислений. Использование перфокарт и магнитных лент для ввода/вывода отражало технологические ограничения того времени. Несмотря на трудности, этот новаторский период заложил технологические и концептуальные основы для последующей эволюции вычислений, проложив путь в будущее, в котором компьютеры станут преобразовательной силой общества.