История возникновения и развития информационных технологий

История возникновения информационных технологий уходит своими корнями в глубокую древность. Первым этапом можно считать изобретение простейшего цифрового устройства - счетов. Счеты были изобретены совершенно независимо и практически одновременно в Древней Греции, Древнем Риме, Китае, Японии и на Руси.

Счеты в Древней Греции назывались абак, то есть доска или еще «саламинская доска» (остров Саламин в Эгейском море). Абак представлял собой посыпанную песком доску с бороздками, на которых камешками обозначались числа. Первая бороздка означала единицы, вторая - десятки и т.д. Во время счета на любой из них могло набраться более 10 камешков, что означало добавление одного камешка в следующую бороздку. В Риме абак существовал в другом виде: деревянные доски заменили мраморными, а шарики также делали из мрамора.

В Китае счеты «суан-пан» немного отличались от греческих и римских. В их основе лежало не число десять, а число пять. В верхней части «суан-пан» находились ряды по пять косточек-единиц, а в нижней части - по две. Если требовалось, скажем, отразить число восемь, в нижней части ставили одну косточку, а в части единиц - три. В Японии существовало аналогичное устройство, только название было уже «серобян».

На Руси счеты были значительно проще - кучка единиц и кучки десятков с косточками или камешками. Но в XV веке получил распространение «дощаный счет», то есть применение деревянной рамки с горизонтальными веревочками, на которых были нанизаны косточки.

Обычные счеты были родоначальниками современных цифровых устройств. Однако если одни из объектов окружающего материального мира поддавались непосредственному счетному, поштучному исчислению, то другие требовали предварительного измерения числовых величин. Соответственно, исторически сложились два направления развития вычислений и вычислительной техники: цифровое и аналоговое.

Аналоговое направление, основанное на исчислении неизвестного физического объекта (процесса) по аналогии с моделью известного объекта (процесса), получило наибольшее развитие в период конца XIX- середины XX века. Основоположником аналогового направления является автор идеи логарифмического исчисления - шотландский барон Джон Непер, подготовивший в 1614 г. научный фолиант «Описание удивительной таблицы логарифмов». Джон Непер не только теоретически обосновал функции, но и разработал практическую таблицу двоичных логарифмов.

Принцип изобретения Джона Непера заключается в соответствии логарифма (показателя степени, в которую нужно возвести число) заданному числу. Изобретение упростило выполнение операций умножения и деления, так как при умножении достаточно сложить логарифмы чисел.

В 1617 г. Непер изобрел способ перемножения чисел с помощью палочек. Специальное устройство состояло из разделенных на сегменты стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что при сложении чисел в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах получался результат умножения этих чисел.

Несколько позднее англичанин Генри Бриггс составил первую таблицу десятичных логарифмов. На основе теории и таблиц логарифмов были созданы первые логарифмические линейки. В 1620 г. англичанин Эдмунд Гюнтер применил для расчетов на популярном в те времена пропорциональном циркуле специальную пластинку, на которую были нанесены параллельно друг другу логарифмы чисел и тригонометрических величин (так называемые «шкалы Понтера»). В 1623 г. Уильям Отред изобрел прямоугольную логарифмическую линейку, а Ричард Деламейн в 1630 г. - круговую. В 1775 г. библиотекарь Джон Робертсон добавил к линейке «бегунок», облегчающий считывание чисел с разных шкал. И, наконец, в 1851-1854 гг. француз Амедей Маннхейм резко изменил конструкцию линейки, придав ей почти современный вид. Полное господство логарифмической линейки продолжалось вплоть до 20-30-х гг. XX века, пока не появились электрические арифмометры, которые позволяли проводить несложные арифметические вычисления с гораздо большей точностью. Логарифмическая линейка постепенно утратила свои позиции, но оказалась незаменимой для сложных тригонометрических вычислений и потому сохранилась и продолжает использоваться и в наши дни.

Большинство людей, пользующихся логарифмической линейкой, успешно проводят типовые вычислительные операции. Однако сложные операции расчета интегралов, дифференциалов, моментов функций и т.д., которые осуществляются в несколько этапов по специальным алгоритмам и требуют хорошей математической подготовки, вызывают значительные затруднения. Все это обусловило появление в свое время целого класса аналоговых устройств, предназначенных для расчетов конкретных математических показателей и величин пользователям, не слишком искушенным в вопросах высшей математики. В начале-середине XIX века были созданы: планиметр (вычисление площади плоских фигур), курвиметр (определение длины кривых), дифференциатор, интегратор, интеграф (графические результаты интегрирования), интегример (интегрирование графиков) и др. устройства. Автором первого планиметра (1814 г.) является изобретатель Германн. В 1854 г. появился полярный планиметр Амслера. С помощью интегратора фирмы «Коради» вычислялись первый и второй моменты функции. Существовали универсальные наборы блоков, например комбинированный интегратор КИ-3, из которых пользователь в соответствии с собственными запросами мог выбрать необходимое устройство.

Цифровое направление развития техники вычислений оказалось более перспективным и составляет сегодня основу компьютерной техники и технологии. Еще Леонардо да Винчи в начале XVI века создал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с десятизубными кольцами. Хотя работающее устройство на базе этих чертежей было построено только в XX века, все же реальность проекта Леонардо да Винчи подтвердилась.

В 1623 г. профессор Вильгельм Шиккард в письмах И. Кеплеру описал устройство счетной машины, так называемых «часов для счета». Машина также не была построена, но сейчас на основе описания создана ее работающая модель.

Первая построенная механическая цифровая машина, способная суммировать числа с соответствующим увеличением разрядов, была создана французским философом и механиком Блэзом Паскалем в 1642 г. Назначением этой машины было облегчить работу отца Б.Паскаля - инспектора по сбору налогов. Машина имела вид ящика с многочисленными шестернями, среди которых находилась основная расчетная шестерня. Расчетная шестерня при помощи храпового механизма соединялась с рычагом, отклонение которого позволяло вводить в счетчик однозначные числа и проводить их суммирование. Проводить вычисления с многозначными числами на такой машине было достаточно сложно.

В 1657 г. два англичанина, Р. Биссакар и С.Патридж, совершенно независимо друг от друга разработали прямоугольную логарифмическую линейку. В неизменном виде логарифмическая линейка существует и по сей день.

В1673 г. известный немецкий философ и математик Готфрид Вильгейм Лейбниц изобрел механический калькулятор - более совершенную счетную машину, способную выполнять основные арифметические действия. При помощи двоичной системы счисления машина могла складывать, вычитать, умножать, делить и извлекать квадратные корни.

В 1700 г. Шарль Перро издал книгу своего брата «Сборник большого числа машин собственного изобретения Клода Перро». В книге описывается суммирующая машина с зубчатыми рейками вместо зубчатых колес под названием «рабдологический абак». Название машины состоит из двух слов: древнего «абак» и «рабдология» - средневековая наука о выполнении арифметических операций с помощью маленьких палочек с цифрами.

Готфрид Вильгейм Лейбниц в 1703 г., продолжая серию своих работ, пишет трактат «Explication de l’Arithmetique Binare» об использовании двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Позже, в 1727 г. на основе работ Лейбница была создана счетная машина Джакоба Леопольда.

Немецкий математик и астроном Христиан Людвиг Герстен в 1723 г. создал арифметическую машину. Машина высчитывала частное и число последовательных операций сложения при умножении чисел. Кроме того, была предусмотрена возможность контроля за правильностью ввода данных.

В 1751 г. француз Перера на основе идей Паскаля и Перро изобретает арифметическую машину. В отличие от других устройств она была компактнее, так как ее счетные колеса располагались не на параллельных осях, а на единственной оси, проходившей через всю машину.

В 1820 г. состоялся первый промышленный выпуск цифровых счетных машин - арифмометров. Первенство принадлежит здесь французу Тома де Кальмару. В России к первым арифмометрам данного типа относятся самосчеты Буняковского (1867 г.). В 1874 г. инженер из Петербурга Вильгодт Однер значительно усовершенствовал конструкцию арифмометра, применив для ввода чисел колеса с выдвижными зубьями (колеса «Однера»). Арифмометр Однера позволял проводить вычислительные операции со скоростью до 250 действий с четырехзначными цифрами за один час.

Вполне возможно, что развитие цифровой техники вычислений так и осталось бы на уровне малых машин, если бы не открытие француза Жозефа Мари Жаккара, который в начале XIX века применил для управления ткацким станком карту с пробитыми отверстиями (перфокарту). Машина Жаккара программировалась при помощи целой колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока, так что при переходе к новому рисунку оператор заменял одну колоду перфокарт другой. Учёные попытались использовать это открытие для создания принципиально новой счётной машины, выполняющей операции без вмешательства человека.

В 1822 г. английский математик Чарльз Бэббидж создал программно-управляемую счетную машину, представляющую собой прототип сегодняшних периферийных устройств ввода и печати. Она состояла из вращаемых вручную шестеренок и валиков.

В конце 80 гг. XIX века сотрудник национального бюро переписи населения США Герман Холлерит сумел разработать статистический табулятор, способный автоматически обрабатывать перфокарты. Создание табулятора положило начало производству нового класса цифровых счётно-перфорационных (счётно-аналитических) машин, которые отличались от класса малых машин оригинальной системой ввода данных с перфокарт. К середине XX века счетно-перфорационные машины выпускались фирмами 1ВМ в виде достаточно сложных перфокомплексов, включающих: перфораторы (набивка перфокарт), контрольные перфораторы (повторная набивка и контроль несовпадения отверстий), сортировочные машины (раскладка перфокарт по группам в соответствии с определенными признаками), раскладочные машины (более тщательная раскладка перфокарт и составление таблиц функций), табуляторы (чтение перфокарт, вычисление и вывод на печать результатов расчета), мульти плееры (операции умножения для чисел, записанных на перфокартах). Лучшие модели перфокомплексов обрабатывали до 650 карт в минуту, а мультиплеер в течение часа умножал 870 восьмизначных чисел. Наиболее совершенная модель электронного перфоратора Мос1е1 604 фирмы IВМ, выпущенная в 1948 г., имела программируемую панель команд обработки данных и обеспечивала возможность проведения до 60 операций с каждой перфокартой.

В начале XX века появились арифмометры с клавишами для ввода чисел. Повышение степени автоматизации работы арифмометров позволило создать счетные автоматы, так называемые малые счетные машины с электроприводом и автоматическим выполнением за час до 3 тыс. операций с трех- и четырехзначными цифрами. В промышленном масштабе малые счетные машины в первой половине XX века выпускались компаниями Friden, Burroughs, Моnго и др. Разновидностью малых машин являлись бухгалтерские счетно-записывающие и счетно-текстовые машины, выпускавшиеся в Европе фирмой Olivetti, а в США - National Cash Register (NCR). В России в этот период были широко распространены «Мерседесы» - бухгалтерские машины, предназначенные для ввода данных и расчета конечных остатков (сальдо) по счетам синтетического учета.

Основываясь на идеях и изобретениях Бэббиджа и Холлерита, профессор Гарвардского университета Говард Эйкен смог создать в 1937-1943 гг. вычислительную перфорационную машину более высокого уровня под названием «Марк-1», которая работала на электромагнитных реле. В 1947 г. появилась машина данной серии «Марк-2», содержащая 13 тыс. реле.

Примерно в этот же период появились теоретические предпосылки и техническая возможность создания более совершенной машины на электрических лампах. В 1943 г. к разработке такой машины приступили сотрудники Пенсильванского университета (США) под руководством Джона Мочли и Проспера Эккерта, с участием знаменитого математика Джона фон Неймана. Результат их совместных усилий - ламповая вычислительная машина ЕNIАС (1946 г.), которая содержала 18 тыс. ламп и потребляла 150 кВт электроэнергии. В процессе работы над ламповой машиной Джон фон Нейман опубликовал доклад (1945 г.), являющийся одним из наиболее важных научных документов теории развития вычислительной техники. В докладе были обоснованы принципы устройства и функционирования универсальных вычислительных машин нового поколения - компьютеров, которые вобрали в себя все лучшее, что было создано многими поколениями ученых, теоретиков и практиков.

Это привело к созданию компьютеров так называемого первого поколения. Они характерны применением вакуумно-ламповой технологии, систем памяти на ртутных линиях задержки, магнитных барабанов и электронно-лучевых трубок Вильямса. Данные вводились с помощью перфолент, перфокарт и магнитных лент с хранимыми программами. Использовались печатающие устройства. Быстродействие компьютеров первого по­коления не превышало 20 тыс. операций в секунду.

Далее развитие цифровой техники вычислений происходило быстрыми темпами. В 1949 г. по принципам Неймана английским исследователем Морисом Уилксом был построен первый компьютер. Вплоть до середины 50 гг. в промышленном масштабе выпускались ламповые машины. Однако научные исследования в области электроники открывали все новые перспективы развития. Ведущие позиции в этой области занимали США. В 1948 г. Уолтер Браттейн и Джон Бардин из компании АТ&Т изобрели транзистор, а в 1954 г. Гордон Тил из компании Техаs Instruments применил для изготовления транзистора кремний.

С 1955 г. стали выпускаться компьютеры на транзисторах, имеющие меньшие габариты, повышенное быстродействие и пониженное потребление энергии в сравнении с ламповыми машинами. Сборка компьютеров проходила вручную, под микроскопом.

Применение транзисторов ознаменовало переход к компьютерам второго поколения. Транзисторы заменили электронные лампы, и компьютеры стали более надежными и быстрыми (до 500 тыс. операций в секунду). Усовершенствовались и функциональные устройства - работы с магнитными лентами, памяти на магнитных дисках.

В 1958 г. были изобретены: первая интегральная микросхема (Джек Килби) и первая промышленная интегральная микросхема (Chip), автор которой Роберт Нойс основал впоследствии (1968 г.) всемирно известную фирму 1п1е1. Компьютеры на интегральных микросхемах, выпуск которых был налажен в 1960 г., были еще более скоростными и малогабаритными.

В 1959 г. исследователи фирмы Datapoint сделали важный вывод о том, что компьютеру необходим центральный арифметико-логический блок, который мог бы управлять вычислениями, программами и устройствами. Речь шла о микропроцессоре. Сотрудники Datapoint разработали принципиальные технические решения по созданию микропроцессора и совместно с фирмой Intel в середине 60 гг. стали осуществлять его промышленную доводку. Первые результаты были не совсем удачными - микропроцессоры Intel работали гораздо медленнее, чем ожидалось. Сотрудничество Datapoint и Intel прекратилось.

В 1964 г. были разработаны компьютеры третьего поколения с применением электронных схем малой и средней степени интеграции (до 1000 компонентов на кристалл). С этого времени стали проектировать не отдельный компьютер, а скорее целое семейство компьютеров на базе применения программного обеспечения. Примером компьютеров третьего поколения можно считать созданные тогда американский IВМ 360, а также советские ЕС 1030 и 1060.

В конце 60-х гг. появились мини-компьютеры, а в 1971 г. - первый микропроцессор Intel 4044. Он был разработан в компании Intel исследовательской группой под руководством инженера Теда Хоффа. Новое логическое устройство общего назначения - микропроцессор с тактовой частотой 108 КГц - было приобретено компанией Basicon всего за 60 тыс. USD. Компания Intel через некоторое время выкупила назад свою разработку, оценив потенциальные коммерческие выгоды массового производства первого программируемого микропроцессора (ранее существовавшие микросхемы выполняли только фиксированные функции). Таким образом, 15 ноября 1971 г. Intel анонсировала выход микропроцессора i4004.

Состоящий из 2300 транзисторов на площади меньше ногтя микропроцессор Intel 4004 обладал такой же вычислительной мощностью, как первый электронный компьютер ENIAC, который был создан в 1946 г. и занимал целую комнату. Свое первое практическое применение микропроцессор Intel 4004 нашел в таких системах, как устройства управления дорожными светофорами и анализаторы крови. Также он использовался в созданном NASA зонде Pioneer 10, который был запущен NASA.

Годом позже компания Intel выпускает первый широко известный микропроцессор Intel 8008, а в апреле 1974 г. - микропроцессор второго поколения Intel 8080.

С середины 70 гг. были разработаны компьютеры четвертого поколения. Они характерны использованием больших и сверхбольших интегральных схем (до миллиона компонентов на кристалл). Первые компьютеры четвертого поколения выпустила фирма Amdahl Согр. В этих компьютерах использовались быстродействующие системы памяти на интегральных схемах емкостью несколько мегабайт. При выключении данные оперативной памяти переносились на диск. При включении проходила самозагрузка. Производительность компьютеров четвертого поколения - сотни миллионов операций в секунду.

Также в середине 70 гг. появились первые массовые персональные компьютеры. Их совершенствование тесно связано с развитием микропроцессорной техники. В 1974 г. на основе процессора i8080 был создан первый массовый персональный компьютер Альтаир (MITS Altair 8800). В 1977 г. компания Apple выпустила Apple II с цветным монитором, звуком и графическими возможностями.

К концу 70-х гг., благодаря усилиям фирмы Intel, разработавшей новейшие микропроцессоры i8086 и i8088, возникли предпосылки для улучшения вычислительных и эргономических характеристик компьютеров. В этот период крупнейшая электротехническая корпорация IВМ включилась в конкурентную борьбу на рынке и попыталась создать персональный компьютер на основе процессора i8088.

12 августа 1981 г. появился компьютер IВМ РС, быстро завоевавший огромную популярность. Удачная конструкция IВМ РС предопределила его использование в качестве стандарта персональных компьютеров конца XX века. Это был компьютер на базе процессора i8088, работающий под управлением МS-DOS. За первый год было продано 130 тыс. штук таких компьютеров. Так как влияние IВМ на отрасль чрезвычайно велико, дату выхода именно IВМ РС (а не Альтаира или Apple II) принято считать днем появления первого персонального компьютера.

С 1982 г. ведутся разработки компьютеров пятого поколения. Их основой является ориентация на обработку знаний. Ученые уверены в том, что обработка знаний, свойственная только человеку, может вестись и компьютером с целью решения поставленных проблем и принятия адекватных решений.

В 1984 г. фирма Microsoft представила первые образцы операционной системы Windows. Американцы до сих пор считают это изобретение одним из выдающихся открытий XX века.

Важным оказалось предложение, сделанное в марте 1989 г. сотрудником международного европейского научного центра (CERN) Тимом Бернерс-Ли. Суть идеи состояла в создании новой распределенной информационной системы под названием Word Wide Web. Информационная система на базе гипертекста смогла бы объединить информационные ресурсы CERN (базы данных отчетов, документацию, почтовые адреса и т.д.). Проект был принят в 1990 г.

Стремительная смена аппаратных платформ и программной инфраструктуры, последовавшая затем преображает нашу жизнь по сей день. За двадцать лет с момента выхода IВМ РС изменился его внешний вид, расширились функциональные возможности. В значительной степени возросла интеграция компьютерной техники в повседневную жизнь каждого человека.

Например, поданным Computer Industry Almanac в 2002 г. персональные компьютеры имели приблизительно в 60% семей США, 49% семей Западной Европы и в 38% семей Азиатско-Тихоокеанского региона. А по данным компании Intel в мире уже продан миллиардный персональный компьютер.