Информатика — это техническая наука, систематизирующая приемы создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими.
Предмет информатики составляют следующие понятия:
- аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;
- программное обеспечение средств вычислительной техники;
- средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;
- средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.
История средств ВТ
Антикитерский механизм (100 – 150 лет до н.э.)
- Первоначально определен как некое устройство для астрономических нужд.
- Сейчас считается астрономическим и календарным калькулятором, использовавшимся для прогнозирования позиций небесных светил в небе, и мог служить также как планетарий для демонстрации их движения.
Вычислительная машина Шиккарда (1623)
- содержала суммирующее и множительное устройства, а также механизм для записи промежуточных результатов.
- шестиразрядная суммирующая машина — соединение зубчатых передач.
- На каждой оси имелись шестерня с десятью зубцами и вспомогательное однозубое колесо — палец. Палец служил для того, чтобы передавать единицу в следующий разряд.
Машина Паскаля (1642)
- механическое устройство в виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками.
- Складываемые числа вводились в машину при помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду числа, были нанесены деления от 0 до 9.
- При вводе числа колесики прокручивались до соответствующей цифры.
- Совершив полный оборот, избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию
История средств ВТ. ВМ.
Аналоговый компьютер или аналоговая вычислительная машина (АВМ) — вычислительная машина, которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических параметров (скорость, длина, напряжение, сила тока, давление), в чём и состоит его главное отличие от цифровой ЭВМ.
Задача (класс задач), решаемая АВМ, определяется её внутренним устройством – схемой.
- 1814 год — учёный Дж. Герман (Англия) создал планиметр — аналоговое устройство, которое предназначено для нахождения площади, ограниченной замкнутой кривой на плоскости.
- 1878 год — польский математик Абданк-Абаканович разработал теорию интерграфа — некоего аналогового интегратора — устройства, позволяющего получить интеграл от произвольной функции, изображённой на плоском графике.
- 1904 год — российский инженер Алексей Крылов изобрел первую механическую вычислительную машину, решающую дифференциальные уравнения (применялась при проектировании кораблей).
- 1912 год — создана машина для интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений по проекту российского учёного Алексея Крылова.
- 1930 год — Ванневар Буш (США) создал механическую интегрирующую машину, применяющийся при расчёте траектории стрельбы корабельных орудий. (в 1942 году — создана её электромеханическая версия).
- 1935 год — выпуск первой советской электродинамической счётно-аналитической машины САМ (модель Т-1). Разработаны механический интегратор и электрический расчётный стол для определения стационарных режимов энергетических систем.
- 1938 — немецкий инженер Конрад Цузе построил машину Z1. Это была полностью механическая программируемая цифровая машина.
- 1945—1946 годы, СССР — под руководством Льва Гутенмахера изобретены первые электронные аналоговые машины с повторением решения.
- 1949 год, СССР — изобретён ряд АВМ на постоянном токе, что положило начало развитию аналоговой вычислительной техники в СССР.
- 1958 год — Фрэнк Розенблатт разработал первый нейрокомпьютер-перцептрон Марк-1, который не является полностью аналоговым, а скорее относится к гибридным системам.
- 1960-е годы, аналоговые компьютеры являлись повседневным инструментом ученых для решения множества специфических задач в различных областях науки.
Бинарная логика и булева алгебра
В 1703 году Готфрид Вильгельм Лейбниц разработал формальную логику, математический смысл которой заключается в сведении логики к бинарной системе счисления.
В ней единицы и нули формально представляют истинное и ложное значения или включённое и выключенное состояние некоторого элемента, могущего быть в двух состояниях.
Эти работы намного опередили работы Джоржа Буля, опубликовавшего свои результаты в 1854 г. Сейчас алгебра высказываний Буля называется булевой — математически полная алгебраическая система.
Аналитическая машина
К 1830 году Бэббидж придумал план, как разработать машину, которая могла использовать перфокарты для выполнения арифметических операций.
Операции должны проводиться последовательно таким образом, чтобы машина возвращала ответ в виде удачи или неудачи.
Эта машина стала известной как «аналитическая машина», которая стала первым прототипом современного компьютера.
Гораздо позже, 21 января 1888, прошло частичное испытание «Аналитической машины Бэббиджа», на которой было успешно вычислено число Пи с точностью до 29 знаков.
Помощницей Бэббиджа какое-то время являлась Ада Лавлейс.
Машина Тьюринга
В 1937 году Алан Тьюринг представил свою идею того, что сейчас называется машиной Тьюринга.
Машины Тьюринга были разработаны, чтобы формально математически определить, что может быть вычислено с учетом ограничений на вычислительную способность. Если машина Тьюринга может выполнить задачу, то задача считается вычислимой по Тьюрингу.
Тест Тьюринга: «Человек взаимодействует с одним компьютером и одним человеком. На основании ответов на вопросы он должен определить, с кем он разговаривает: с человеком или компьютерной программой. Задача компьютерной программы — ввести человека в заблуждение, заставив сделать неверный выбор».
Архитектура фон Неймана
В 1946 году была создана модель компьютерной архитектуры, которая стала известна как архитектура фон Неймана.
С 1950 года модель фон Неймана обеспечила единство конструкций последующих компьютеров.
Архитектура фон Неймана считалась новаторской, поскольку фон Нейман ввел представление, позволяющее использовать машинные команды и распределять области памяти. Модель Неймана состоит из 3 основных частей: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), память (ОП) и блок управления памятью.
В конструкции машины фон Неймана используется RISC архитектура (сокращенный набор команд), что означает использование набора 21 команд для выполнения всех задач. Набор команд составлял адреса, операции и типы данных.
Операции могут быть выполнены в качестве простых арифметических выражений (включают сложение, вычитание, умножение и деление), условных переходов и логических ходов между различными компонентами машины.
- Принцип однородности памяти: Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы
- Принцип адресности: Структурно память вычислительной машины состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка
- Принцип программного управления: Все вычисления должны быть представлены в виде программы, состоящей из команд.
- Принцип двоичного кодирования: Вся информация в вычислительной машине (как данные, так и команды) кодируется в двоичной форме
ENIAC (1945)
= Electronic Numerical Integrator and Computer
- Первый электронный компьютер общего назначения.
- Публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений.
Созданная под руководством Джона Мокли и Дж. Преспера Экерта, эта машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени.
На ENIAC удавалось выполнять несколько тысяч операций в секунду в течение нескольких часов, до очередного сбоя из-за сгоревшей лампы.
Марк I (1949)
Первой машиной с архитектурой фон Неймана стала Манчестерская малая экспериментальная машина, созданная в 1948 году.
В 1949 году за ним последовал компьютер Манчестерский Марк I, который уже был полной системой, с трубками Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти, а также с индексными регистрами.
Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, который мог использоваться для решения реальных задач. На самом деле, EDSAC был создан на основе архитектуры компьютера EDVAC, наследника ENIAC.
Транзистор и второе поколение ЭВМ
В 1947 году был создан транзистор - радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи.
Достигнуто значительное уменьшение размеров и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности.
IBM 1620 на транзисторах, ставшая заменой IBM 650 на лампах, была размером с письменный стол.
Появилось разделение на жёстко закреплённые (fixed) устройства хранения, связанные с процессором высокоскоростным каналом передачи данных, и сменные (removable) устройства.
Однако компьютеры второго поколения по-прежнему были довольно дороги.
БЭСМ-6
БЭСМ-6 (Большая электронно-счётная машина) — советская электронная вычислительная машина серии БЭСМ, первая советская суперЭВМ на элементной базе второго поколения — полупроводниковых транзисторах.
- Элементная база — транзисторный парафазный усилитель с диодной логикой на входе.
- Тактовая частота — 10 МГц.
- 48-битное машинное слово.
- Быстродействие — около 1 млн операций в секунду
- 8-слойная физическая организация памяти.
- Виртуальная адресация памяти.
- Совмещённое АУ для целой и плавающей арифметики.
- Кеш на 16 48-битных слов: 4 чтения данных, 4 чтения команд, 8 — буфер записи.
- Система команд — 50 24-битных команд (по две в слове).
Третье поколение ЭВМ
Интегральная (микро)схема — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке).
Первая интегральная микросхема была создана в 1958 году.
Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).
Четвертое поколение ЭВМ
В 1969 году сотрудник компании Intel Тэд Хофф предлагает создать центральный процессор на одном кристалле.
вместо множества интегральных микросхем создать одну главную интегральную микросхему, которая должна будет выполнять все арифметические, логические операции и операции управления, записанные в машинном коде. Такое устройство получило название — микропроцессор.
В 1971 году компания Intel выпускает на рынок первый микропроцессор «Intel 4004». Появление микропроцессоров позволило создать микрокомпьютеры — небольшие недорогие компьютеры, которые могли себе позволить купить маленькие компании или отдельные люди.
В 1980-х годах микрокомпьютеры стали повсеместным явлением.
Первый массовый домашний компьютер был разработан Стивом Возняком — одним из основателей компании Apple Computer. Позже Стив Возняк разработал первый массовый персональный компьютер.
Суперкомпьютеры
Суперкомпьютер — специализированная вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров.
Summit — суперкомпьютер вычислительной мощностью 122,3 ПФлопс, самый мощный суперкомпьютер в мире по состоянию на 2019 год.
Комплекс занимает площадь около 520 м² и состоит из 4608 серверных узлов IBM Power Systems AC922. В общей сложности суперкомпьютер оснащён 9216 22-ядерными процессорами IBM POWER9 и 27 648 графическими процессорами NVIDIA Tesla V100.
Каждый узел содержит более 500 ГБ когерентной памяти, которая адресуется всеми CPU и GPU, плюс 800 ГБ энергонезависимой памяти, которая может использоваться как пакетный буфер или дополнительная память.
Процессоры и видеокарты подключаются с использованием шины NVLink, что позволяет использовать гетерогенную вычислительную модель.
