Механизация и автоматизация обработки информации
Почти через 200 лет после появления печатного станка были разработаны первые устройства для механической обработки числовой информации, наиболее простой и, с другой стороны, наиболее важной для того периода разновидности информации. С этого времени начинается механический этап в развитии средств обработки информации. Основное отличие этого этапа состоит в том, что вычисления осуществляются путем механических перемещений различных узлов — рычагов, валиков различной формы, зубчатых колес и т. д.
Первой известной попыткой построения такого механизма является относящийся примерно к 1500 году эскиз суммирующего устройства Леонардо да Винчи. К сожалению, в то время построить по этому эскизу реальное счетное устройство не удалось. А первое действующее устройство для выполнения сложения было создано только в 1623 году Вильгельмом Шиккардом. Он называл свое изобретение «суммирующими часами», так как оно было создано (к сожалению, в единичном экземпляре) на базе механических часов. Блез Паскаль в 1641-1645 годах разработал суммирующую машину, которая получила широкую известность и была выпущена целой серией в 50 машин (8 экземпляров дошло до наших дней). А Готфриду Лейбницу в 1671-1674 годах удалось построить арифмометр — машину для выполнения всех четырех арифметических операций.
Кстати, упомянутые ранее абак и счеты, если говорить более точно, не являются устройствами для обработки информации в полном смысле этого слова. Это устройства только для хранения числовой информации в процессе ее обработки,поскольку арифметические операции над числами все-таки производятся человеком. В то время как суммирующую машину Паскаля и арифмометр Лейбница уже можно считать своеобразными «механическими вычислителями», которые выполняли целый ряд вычислительных действий без вмешательства человека.
Так почти 350 лет тому назад появились предшественники современных микрокалькуляторов. Вся эта группа средств обработки информации, включающая в себя и суммирующие «часы» Шиккарда, и машину Паскаля, и широко распространенные в конце XIX и начале XX веков арифмометры Томаса и Орднера, и нынешние микрокалькуляторы, отличается тем, что человек непосредственно участвует в вычислительном процессе на всех его этапах. В частности, человек не только определяет последовательность выполняемых действий, но и осуществляет собственно вычисления.
В ходе промышленной революции появились и стали широко использоваться бумажные ленты и карты с отверстиями — перфоленты и перфокарты, которые являются разновидностью долговременных носителей информации. С помощью определенных комбинаций отверстий на перфолентах и перфокартах задавался конкретный план работы различных устройств. Примером такого рода устройств является автоматический ткацкий станок, изобретенный во Франции в 1804-1808 годах Жозефом Жаккардом. Работой этого станка управляла перфокарта с заранее нанесенными на нее отверстиями. Наличие или отсутствие отверстия в перфокарте заставляло подниматься или опускаться нить при одном ходе челнока. Станок Жаккарда был первым массовым промышленным устройством, автоматически (то есть без прямого вмешательства человека) работающим по заданному плану. Заметим, что план выполнения действий является особого рода информацией, использование которой позволяет достичь заданной цели.
Таким образом, в частном случае производства роль человека свелась к составлению плана выполнения нужных действий, а сами действия уже выполнялись без участия человека — автоматически. Естественным образом должна была возникнуть мысль о том, что машине можно поручить не только выполнение действий по изготовлению тканей. По-видимому, можно попытаться поручить ей и выполнение некоторых вычислений, которые, как уже было отмечено ранее, представляли собой наиболее важную в то время разновидность действий по обработке информации. Такая мысль возникла у английского математика Чарльза Бэббиджа в начале XIX века. В 1822 году он опубликовал статью с описанием так называемой «разностной» машины, предназначенной для вычисления и печати таблиц математических функций. Затем Бэббидж начал работать над проектом реализации машины, которую впоследствии стали называть «аналитической». Первый эскиз этой машины появился в 1834 году. Однако, несмотря на несколько десятилетий работы и затраченные усилия, Бэббиджу не удалось реализовать свою идею, в основном из-за несовершенства материальной и технической базы того периода. Проект машины Бэббиджа, опередивший свое время, содержал все основные компоненты вычислительных машин, появившихся почти 100 лет спустя. Основная его идея не была забыта, она сыграла важную роль в дальнейшем развитии средств обработки информации. Эта идея полностью исключала участие человека в вычислительном процессе, сводя его роль к подготовке необходимых числовых данных и, как и в случае с ткацким станком Жаккарда, составлению программы, то есть плана выполнения вычислений, зафиксированного в некоторой специальной форме. Собственно процесс обработки информации должен был выполняться автоматически по заданной программе. Несмотря на то, что аналитическая машина Бэббиджа имелась только в виде проекта, для нее была составлена первая в мире программа. В 1843 году Ада Лавлейс, дочь английского поэта Джорджа Байрона, опубликовала работу, в которой были заложены основы современного программирования. Ею же была составлена программа вычисления так называемых чисел Фибоначчи.
В связи с появлением электрических устройств и началом развития электротехники в конце XIX века начался следующий, электромеханический этап в развитии средств обработки информации. Отличительной чертой этого этапа является сочетание при выполнении вычислительных операций механических перемещений с работой электрических устройств. Первым такого рода устройством считается табулятор — машина, автоматизирующая выполнение простых вычислений на основе данных, нанесенных в виде пробивок на перфокарты. При этом какие-либо программы вычислений в табуляторах не использовались, а вычислительные операции, как правило, сводились к считыванию с перфокарт больших массивов числовых данных и их последующему суммированию. Первый табулятор был создан Германом Холлеритом в 1887 году. Основу этого устройства составляли простейшие электромеханические реле. Табуляторы широко использовались для выполнения расчетов статистического характера, например для проведения переписи населения в конце XIX века в США, Канаде, России и некоторых других странах. Для производства табуляторов Г. Холлерит в 1897 году организовал фирму Tabulating Machine Company, которая впоследствии преобразовалась в фирму IBM (International Business Machines corporation) — признанного и широко известного в настоящее время мирового лидера в сфере компьютерного производства. Различного рода табуляторы весьма эффективно использовались во всем мире для самых разных расчетов (статистических, астрономических, экономических и т. д.) вплоть до середины XX века.
В тридцатых годах XX века в разных странах начались разработки принципиально иных устройств — программно-управляемых релейных вычислительных машин. Считается, что первая в мире программно-управляемая электромеханическая вычислительная машина под названием «Z-3» была создана Конрадом Цузе в Германии в 1939-1941 годах. Эта машина могла «помнить» до 64 чисел одновременно и выполняла сложение двух чисел за 0,3 с (секунды), а умножение — за 5 с. Однако возможности и этой, и созданной после войны более совершенной модели «Z-4» по составлению программ были достаточно скромными. В частности, не было возможности осуществлять программный выбор одного из нескольких возможных вариантов действий. Это не позволяет считать «Z-3» универсальной вычислительной машиной.
Полностью идеи Чарльза Бэббиджа впервые были реализованы в машине «Марк-1», разработанной в фирме IBM под руководством Говарда Айкена в 1937-1944 годах. Эта машина считается первой в мире универсальной программно-управляемой вычислительной машиной. Вместе с тем устройство для выполнения арифметических действий в машине «Марк-1» было чисто механическим. Затем, в 1947 году, была построена полностью релейная (то есть электромеханическая) машина «Марк-2». Она выполняла одну операцию умножения за 0,7 с.
Информационный взрыв
Ускоренное развитие производства естественным образом сопровождалось соответствующим увеличением и обновлением суммы знаний, накопленных человечеством. Д. Мартин, один из крупнейших специалистов в области обработки информации, утверждает, что «...к 1800 году общая сумма человеческих знаний удваивалась каждые 50 лет, к 1950 году она удваивалась каждые 10 лет, а к 1970 году — каждые 5 лет». Некоторые аналитики считают, что в настоящее время этот период составляет всего 2-3 года. Лавинообразный рост информационных потоков, начавшийся в XIX веке, к середине XX века привел к тому, что люди потеряли возможность ориентироваться в море информации и эффективно ее обрабатывать, поскольку даже на простой поиск нужной информации приходилось затрачивать весьма значительные усилия. И это несмотря на то, что значительная доля людей уже оказалась вовлеченной в трудовой процесс, непосредственно связанный с обработкой информации. По данным ряда американских исследователей, к середине XX века в информационную сферу труда в США было вовлечено более 30% трудоспособного населения (бухгалтеры, почтовые служащие, банковские работники и т. д.). Возникшая ситуация получила в свое время название «информационный взрыв». К концу XX века основным предметом труда в общественном производстве промышленно развитых стран стала информация. И тенденция перекачивания трудовых ресурсов из материальной сферы в сферу, так или иначе связанную с обработкой информации, неуклонно укрепляется во всем мире.
Появление ЭВМ
Итак, к середине XX века перед человечеством возникла проблема обуздания «разбушевавшейся» информационной стихии, когда информация становится недоступной только потому, что ее чрезвычайно много и отыскать нужные данные очень и очень непросто. К этому же времени (как по заказу) оказались созданными и технические условия для производства программно-управляемых вычислительных машин, которые были реализованы в упоминавшихся выше электромеханических вычислительных машинах. Однако механические перемещения — неотъемлемая часть реализации вычислительных операций в механических и электромеханических машинах — существенно ограничивали их быстродействие. Так, например, самая быстродействующая релейная машина «РВМ-1», которая была построена в 50-х годах XX века в СССР под руководством Н. И. Бессонова, выполняла операцию умножения за 0,05 с (20 умножений в секунду). То есть «РВМ-1» была только в 14 раз быстрее, чем машина «Марк-2». Такой уровень быстродействия не удовлетворял практическим потребностям даже того времени. Только полностью электронные, то есть исключающие механические перемещения в процессе вычислений и, следовательно, безынерционные устройства могли решить проблему быстродействия вычислительных машин.
Начало последнего на сегодняшний день электронного этапа в развитии средств обработки информации относится к сороковым годам XX века. В 1937-1942 годах в США под руководством Дж. Атанасова и К. Берри была построена первая полностью электронная машина «ABC» (Atanasoff-Berry Computer), содержавшая около 600 электронных ламп накаливания. Но эта машина могла выполнять только операции сложения и вычитания.
Первая в полном смысле этого слова ЭВМ — универсальная программно-управляемая Электронная Вычислительная Машина (соответствующий термин англоязычного происхождения — компьютер) была разработана в 1943-1945 годах в Пенсильванском университете США под руководством Д. Маучли и П. Эккерта. Эта машина называлась «ENIAC» — Electronic Numerical Integrator And Computer — электронно-цифровой интегратор и вычислитель. Она весила 30 тонн, ее высота была 6 метров, а площадь —120 квадратных метров. Машина состояла из 18 тысяч электронных ламп накаливания и выполняла примерно 5 тысяч арифметических операций в секунду (сравните с 20 операциями в секунду у электромеханической машины «РВМ-1»),
Программа работы машины «ENIAC» задавалась вручную с помощью механических переключателей и гибких кабелей со штекерами, вставляемыми в нужные разъемы. Поэтому любые изменения в программе требовали много сил и времени. Выдающийся математик Джон фон Нейман, анализируя работу первых ЭВМ, пришел к выводу о необходимости хранения выполняющейся программы и обрабатываемых по этой программе данных внутри машины, в ее электронных схемах, а не вне нее — на перфокартах, перфолентах или разъемах со штекерами. Первой машиной с хранимой программой является компьютер «EDSAC» (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), построенный М. Уилксом в Великобритании в 1949 году. С этой машины принято вести отсчет первого поколения ЭВМ.
В нашей стране первые ЭВМ создавались примерно в тот же самый период. В 1947-1951 годах под руководством академика Лебедева была пущена первая советская вычислительная машина — МЭСМ (Малая Электронно-Счетная Машина). Кроме того, выпускались машины «Стрела», «Минск», «Урал», БЭСМ (Большая Электронно-Счетная Машина), М-2, «Мир» и некоторые другие, разработанные под руководством крупных советских конструкторов и теоретиков И. С. Брука, М. А. Карцева, Б. И. Рамеева, В. М. Глушкова, Ю. А. Базилевского.