Леонид Черняк – История электронных компьютеров (страница 3)
• 1990-е годы – переход на уровень знаний. Распространение сетей и появление распределенных и параллельных систем (distributed computing, parallel computing) дают возможность объединять ресурсы множества машин, выявлять закономерности и строить модели. Computing на этом уровне превращает информацию в знания, используемые для прогнозирования и поддержки решений.
• 2000-е – 2010-е годы – уровень здравого смысла и принятия решений. Зарождение ИИ.
Компьютинг в повседневной жизни
Современный компьютинг наличествует не только в лабораториях, исследовательских центрах или офисах – он уже прочно вошел в нашу повседневную жизнь. Смартфон, по сути, является миниатюрным компьютером, который всегда с нами. Он собирает данные о наших действиях, анализирует их, предоставляет информацию и помогает принимать решения. В определенном смысле смартфон уже частично выступает в роли интеллектуального партнера, способного предлагать рекомендации и оптимальные варианты действий.
Компьютинг стал обязательным атрибутом жизни, а смартфон – его осязаемое и доступное воплощение. Каждый день мы взаимодействуем с данными, информацией, знаниями и элементами цифровой мудрости, часто почти не замечая этого. Наши устройства аккумулируют и интерпретируют информацию, помогают нам принимать решения быстрее и точнее, а порой даже подсказывают, что делать в ситуациях, когда у нас нет времени или ресурсов на полноценный анализ.
В итоге можно сказать, что современный компьютинг стал частью человеческого опыта: мы не только пользуемся технологиями, но и встраиваем их в собственное мышление, делая процесс взаимодействия с данными и знаниями естественной и почти непрерывной частью повседневной жизни.
.
Глава 1. Аппаратная и программная основы компьютинга
Компьютер не имеет аналогов в истории техники. Он сочетает в себе два начала: аппаратную платформу и программное обеспечение (ПО). Железо обеспечивает счет и работу с данными, а ПО превращает эти ресурсы в инструменты для анализа, управления и даже творчества. Без программного обеспечения самый совершенный процессор остается лишь набором транзисторов и схем, а без железа самые изощренные алгоритмы не смогут воплотиться в действия.
На первый взгляд все кажется простым и очевидным. Но если отвлечься от привычного взгляда, перед нами открывается парадокс: компьютер соединяет материальное и нематериальное, вещь и идею, тело и программу. Железо само по себе мертво, софт сам по себе бесплотен. Только вместе они образуют целостность – особую машину, которой в истории техники не было. У книги есть текст, но он не управляет бумагой; у станка может быть программа, по ней он выполняет заданные операции. В культуре и природе можно найти аналогии – мозг и сознание, генотип и фенотип, вещество и энергия, – но в артефактах два начла – техника и мысль никогда еще не соединялись столь органично.
Эта взаимодополняемость формирует особый союз: аппаратное обеспечивает «мышцы», программное – «разум», и вместе они создают универсальный инструмент, превращающий данные в знания, вычисления – в понимание, а инструкции – в действия. Двойственность делает компьютер не просто машиной, а феноменом культуры.
В этой главе мы проследим эволюцию обоих начал, чтобы понять, как их развитие шло рука об руку и почему современный компьютер стал тем, чем мы его знаем. А вся книга в целом будет сосредоточена прежде всего на аппаратной основе компьютинга – на его «теле», без которого никакая программа не может обрести жизнь.
Об электронике
У многих из нас еще со школьной скамьи сохранились обрывочные воспоминания об истории электричества. Греческое слово «электрон» – «янтарь», который при трении начинал притягивать легкие предметы. Таинственная электрофорная машина со стеклянными вращающимися дисками, стоявшая в школьном кабинете. Опыт с воздушным змеем, устремленным к грозовым облакам. Лейденская банка, первые гальванические элементы. И, конечно, целая плеяда великих физиков – Алессандро Вольта, Луиджи Гальвани, Андре-Мари Ампер, Джеймс Джоуль, Георг Ом, Майкл Фарадей и многие другие. Их имена навсегда закрепились не только в истории науки, но и в языке самой физики: они стали названиями единиц измерения и законов, которые мы по привычке используем в повседневной жизни.
На этом фоне история электроники более молодой отрасли физики и инженерии, изучающей поведение электронов и создающей устройства на их основе, известна куда хуже. И это при том, что в современном мире мы сталкиваемся с электронными приборами, пожалуй, даже чаще, чем с чисто электрическими. Поэтому, чтобы говорить об истории электронных компьютеров, нужно начать с истории самой электроники. Ее развитие можно условно разделить на несколько этапов:
• первые шаги, когда электроника еще только отделялась от «большой электротехники»;
• эпоха вакуумных ламп;
• изобретение полупроводниковых приборов;
• появление интегральных схем и микропроцессоров;
• развитие магнитной и полупроводниковой памяти.
Именно эта цепочка открытий и инженерных решений есть путь, который привел к современному «железу» компьютера.
Эпоха ламп
От первых шагов до вакуумных приборов – диода и триода
В электронике, как и в любой отрасли науки и технологий, к открытиям и изобретениям причастно гораздо больше людей, чем можно включить в исторический экскурс. Родоначальниками работ, приведших к появлению электроники, были немецкие физики-экспериментаторы Генрих Гейслер и Юлиус Плюккер. В 1857 году они совместно изобрели первый электронный прибор – «трубку Гейслера». Прообраз современных газоразрядных приборов представлял собой частично вакуумированную стеклянную трубку с двумя металлическими электродами – катодом и анодом. При подаче высокого напряжения поток ионов вызывал свечение, названное флуоресценцией. Дальнейшие исследования флуоресценции привели к появлению неонового освещения в начале XX века.
Следующий шаг сделал Иоганн Гитторф, изучавший физику вакуумной трубки. Он обнаружил обратный поток заряженных частиц от катода к аноду, который назвал катодным лучом, и описал его свойства. Подлинным основоположником электроники как науки стал Джозеф Томсон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года. Он показал, что анодные лучи, проходящие через разреженный газ, состоят из ионизированных атомов и молекул, а катодные лучи через вакуум – из отрицательно заряженных элементарных частиц, впоследствии названных электронами. Честь открытия электрона и введение этого термина в науку принадлежит ирландскому физику Джорджу Стони (1897 год).
Совокупность этих открытий проложила путь к созданию разнообразных электронных приборов: вакуумных ламп, рентгеновских трубок, люминесцентных ламп. Карл Браун, лауреат Нобелевской премии 1909 года, изобрел кинескоп – катодно-лучевую трубку, которая некоторое время использовалась в компьютерах как устройство памяти, а многие годы – как экран для телевизоров.
Появлению электронных ламп, ставших аппаратной основой радио, телевидения и первых компьютеров, предшествовало открытие термоэлектронной эмиссии в 1873 году английским физиком Фредериком Гатри. Он создал прообраз электронной лампы – термоэмиссионный диод, который его ученик Джон Флеминг в 1904 году превратил в полноценный электровакуумный прибор.
Венцом этих разработок стал ламповый триод Джей Ли де Фореста, в котором появился третий управляющий электрод – сетка. Эта конструкция позволяла варьировать напряжение на сетке и управлять током анод-катод, усиливая сигнал. Триод стал основой огромного числа приборов и породил новую индустрию.
Де Форест был не только талантливым ученым и инженером, но и успешным предпринимателем. В 1909 году в Пало-Альто при его участии была основана первая лаборатория Федеральной телеграфной компании. Его деятельность и сподвижников превратила побережье от Сан-Хосе до Пало-Альто из бескрайних капустных полей в крупнейший научно-производственный кластер – будущую Силиконовую долину.
На этих землях вскоре появились новые легендарные проекты. В нескольких шагах от лаборатории де Фореста, на улице Эль Каминьо, в 1938 году выпускники Стэнфорда Дэвид Паккард и Билл Хьюлетт собрали свой первый осциллограф. Рядом возник клуб «Домашняя пивоварня», где позже собирались первые ПК, включая Apple I. По мере развития автомагистралей и кампусов здесь формировался современный ландшафт технологического производства.
Если рассматривать Калифорнию как отдельную экономику, ее валовой внутренний продукт сопоставим с ведущими странами мира, уступая лишь США, Китаю и Японии. Именно здесь, на некогда сельскохозяйственных угодьях, выросли научные и производственные кластеры, формирующие современный облик электроники, программирования и высоких технологий.
Первый вариант триода де Фореста, лампа Audion, использовалась только для усиления звуковых сигналов. Немецкие инженеры усовершенствовали конструкцию, сделав катод цилиндрическим с нагреваемой нитью, сетку – перфорированной, а анод – нитью. Компактная компоновка позволила создавать двойные триоды и лампы с большим числом электродов, варьируя размеры и мощность.
Ламповая электроника нашла применение в радио, телевидении, радиолокации и вычислительных машинах. В первых компьютерах существенны было облечение надежности работы, а не усиление, использование недогруженных ламп позволяло решать эту задачу.