Инженерная деятельность в области информатики: сущность, основы, прошлое и настояшее
Страница 4

Материалы » Зарождение и вызревание инженерной деятельности. Инженерная деятельность в области информатики » Инженерная деятельность в области информатики: сущность, основы, прошлое и настояшее

нейроматематика и нейросистемы (теория формальных нейронных сетей, использование сетей для обучения, нейрокомпьютеры и т.п.);

использование компьютеров в замкнутых системах (модели реального времени, интеллектуальное управление, системы мониторинга и т.п.).

Информатика есть естественное порождение науки ХХ века. Она глубоко пронизывает все сферы человеческой жизни. Информатика прошла за полвека огромный путь отделяющий нынешнее время от начала эпохи компьютеров, без которых люди уже не представляют своей жизни. История формирования кибернетики, а затем и информатики тесно связана с вычислительной техникой, математической логикой. Эта история богата на имена, события, факты и прошла несколько этапов становления и развития. В доисторическом прошлом люди считали на пальцах или делали насечки на костях. Примерно около 4 тыс. лет назад, на заре человеческой цивилизации, были изобретены уже довольно сложные системы исчисления, позволявшие осуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Несколько тысячелетий спустя появились первые ручные вычислительные инструменты. А в наши дни сложнейшие вычислительные задачи, как и множество других операций, казалось бы, не связанных с числами, решаются при помощи "электронного мозга" - компьютера. Закладка фундамента компьютерной революции происходила медленно и далеко не гладко. Отправной точкой этого процесса можно считать изобретение счетов, сделанное более 1500 лет назад, по-видимому, в странах Средиземноморья. Этим нехитрым устройством купцы пользовались для своих расчетов. Счеты оказались очень эффективным инструментом и вскоре распространились по всему миру, а в некоторых странах применяются и по сей день. Вплоть до ХVII в., ознаменовавшегося невиданным подъемом творческой мысли, счеты как вычислительный инструмент оставались практически вне конкуренции. В течение почти пяти веков цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами, основой для их изобретения было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию десяти цифр десятичной системы исчисления. Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами принадлежит Леонардо да Винчи. Он был сделан в одном из его дневников (ученый начал вести дневник еще до открытия Америки в 1492 г.).В 1623 г., через 100 с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи, немецкий ученый Вильгельм Шиккард предложил свое решение той же задачи на основе шестирядного десятичного вычислителя, состоявшего также из зубчатых колес и рассчитанного на выполнение сложения, вычитания, а также табличного умножения и деления. Оба проекта были обнаружены лишь в наше время и оба остались только на бумаге. Заметный след в истории оставило изобретение Джоном Непером логарифмов, о чем сообщалось в публикации 1614 г. Его таблицы, расчет которых требовал очень много времени, позже были "встроены" в удобное устройство, чрезвычайно ускоряющее процесс вычисления, - логарифмическую линейку. Она была создана в конце 20-х годов ХVII в. В 1617 г. Непер придумал и другой способ перемножения чисел. Инструмент, получивший название "костяшки Непера", состоял из набора сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах, получали результат их умножения. Теории логарифмов Непера суждено было найти обширное применение. Однако его "костяшки" вскоре были вытеснены логарифмической линейкой и другими вычислительными устройствами, в основном, механического типа. Первым изобретателем их стал гениальный француз Блез Паскаль. Сын сборщика налогов, наблюдая бесконечные утомительные расчеты отца, задумал построить вычислительное устройство. Суммирующая машина Паскаля, "паскалина", представляла собой механическое устройство - ящик с многочисленными шестеренками. Приблизительно за десятилетие он построил до 50 различных вариантов машины. Хотя "паскалина" вызвала всеобщий восторг, она не принесла изобретателю богатства. Основной недостаток "паскалины" состоял в неудобстве выполнения на ней всех операций, за исключением простого сложения. Тем не менее изобретенный им принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство вычислительных машин на протяжении следующих трех столетий. Первая машина, позволявшая легко производить вычитание, умножение и деление, была изобретена в том же ХVII в. в Германии Готфридом Вильгельмом Лейбницем. В 1672 г., находясь в Париже, Лейбниц познакомился с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Видя, как много вычислений приходится делать астроному, он решил изобрести механическое устройство, которое облегчило бы расчеты. "Поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины", - заметил Лейбниц. В 1673 г. он изготовил механический калькулятор. "Арифметический прибор" Готфрида Вильгельма Лейбница - двенадцатиразрядное десятичное устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение и деление, для чего, в дополнение к зубчатым колесам использовался ступенчатый валик. "Моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно" - с гордостью писал Лейбниц своему другу. Но прославился он прежде всего не этой машиной, а созданием дифференциального и интегрального исчисления. Он заложил также основы двоичной системы счисления, которая позднее нашла применение в автоматических вычислительных устройствах. Прошло еще более ста лет и лишь в конце ХVIII в. во Франции были осуществлены следующие шаги, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники - "программное" управление ткацким станком с помощью перфокарт, созданным Жозефом Жакаром, и технология вычислений при ручном счете, предложенная Гаспаром де Прони, который разделил численные вычисления на три этапа: разработка численного метода, составление программы последовательности арифметических действий, приведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программой. Эти два новшества были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим качественно новый шаг в развитии средств цифровой вычислительной техники - переход от ручного к автоматическому выполнению согласно составленной программе. Им был разработан проект аналитической машины - механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина включала пять устройств - арифметическое (АУ), запоминающее (ЗУ), управления, ввода (как и первые ЭВМ появившиеся 100 лет спустя). АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на 1000 50-разрядных чисел!). Для ввода данных и программы использовались перфокарты. Предполагаемая скорость вычислений: сложение и вычитание за 1 с., умножение и деление - за 1 мин. Помимо арифметических операций имелась команда условного перехода. Программы для решения задач на машине Беббиджа, а также описание принципов ее работы были составлены Адой Августой Лавлейс - дочерью Байрона. Были изготовлены отдельные узлы машины. Всю машину из-за ее громоздкости построить не удалось. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более 50 тыс. Заставить такую махину работать можно было только с помощью паровой машины, что и намечал Беббидж. Гениальную идею Беббиджа осуществил Говард Айкен, американский ученый, создавший в 1944 г. первую в США релейно-механическую ВМ - Марк - I. Ее основные блоки - арифметики и памяти были использованы на зубчатых колесах! Если Беббидж намного определил свое время, то Айкен, использовал все те же зубчатые колеса, т.е. в техническом плане при реализации идеи Беббиджа использовал устаревшие решения. Еще десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать (у себя дома) цифровую вычислительную машину с программным управлением и с использованием - впервые в мире! - двоичной системы счисления. В 1937 г. машина Z1 (Цузе 1) заработала! Она была двоичной, 22-х разрядной, с плавающей запятой, с памятью на 64 числа и все это на чисто механической (рычажной) основе! В том же 1937 г., когда заработала первая в мире двоичная машина Z1, Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированной ВМ, впервые в мире применив электронные лампы (300 ламп). Пионерами электроники оказались и англичане - в 1942-43 гг. в Англии была создана (с участием Алана Тьюринга) ВМ "Колос". В ней было 2 тыс. электронных ламп! Машина предназначалась для расшифровки радиограмм германского вермахта. Работы Цузе и Тьюринга были секретными. О них в то время знали немногие. Они не вызывали какого-либо резонанса в мире. И только в 1946 г., когда появилась информация об ЭВМ "ЭНИАК" (электронный цифровой интегратор и компьютер), созданной в США Д. Мочли и П. Эккертом, перспективность электронной техники стала очевидной. (В машине использовалось 18 тыс. электронных ламп и она выполняла около трех тысяч операций в секунду). Однако машина осталась десятичной, а ее память составляла лишь 20 слов. Программы хранились вне оперативной памяти. Завершающую точку в создании первых ЭВМ поставили почти одновременно, в 1949-1952 гг. ученые Англии, Советского Союза и США (Морис Уилкс, ЭДСАК, 1949 г. Сергей Лебедев, МЭСМ, 1951 г., Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман ЭДВАК, 1952 г.), создавшие ЭВМ с хранимой в памяти программой. В истории вычислительной техники есть немало интересных фактов и событий. К ним относится забытая "Мыслительная машина" профессора А.Н. Щукарева. В апреле 1914 г., за четыре месяца до начала Первой мировой войны профессор Харьковского технологического института Александр Николаевич Щукарев по просьбе Политехнического музея приехал в Москву и прочитал лекцию "Познание и мышление". Лекция сопровождалась демонстрацией созданной А.Н. Щукаревым "машины логического мышления", способной механически осуществлять простые логические выводы на основе исходных смысловых посылок. Лекция имела большой резонанс. Присутствовавший на ней профессор А.Н. Соков откликнулся статьей с провидческим названием "Мыслительная машина" (журнал "Вокруг света", № 18, 1914 г.), в которой написал: "Если мы имеем арифмометры, складывающие, вычитающие, умножающие миллионные числа поворотом рычага, то, очевидно, время требует иметь логическую машину, способную делать логические выводы и умозаключения одним нажиманием соответствующих клавиш. Это сохранит массу времени, оставив человеку область творчества, гипотез, фантазии, вдохновения - душу жизни"."Машина логического мышления" А.Н. Щукарева представляла собой ящик высотой 40, длиной - 25 и шириной 25 см. В машине имелись 16 штанг, приводимых в движение нажатием кнопок, расположенных на панели ввода исходных данных (смысловых посылок). Кнопки воздействовали на штанги, те на световое табло, где высвечивался (словами) конечный результат (логические выводы из заданных смысловых посылок). А.Н. Щукарев родился в 1864 г. в Москве в семье государственного чиновника. Окончил Московский университет. В 1909 г. защитил докторскую диссертацию. В 1911 г. был приглашен в Харьковский технологический институт на должность профессора химии. Последующие 25 лет его педагогической и творческой деятельности были связаны с этим институтом (впоследствии Харьковский политехнический). Кроме химии Щукарева интересовали вопросы логики мышления. Приезд в Харьков сыграл большую роль в его жизни. Дело в том, что в Харьковском университете много лет работал хорошо известный в то время в России профессор Павел Дмитриевич Хрущев (1849-1909). По специальности он также был химиком и также, как Щукарев, был увлечен проблемой мышления и методологией науки. Еще в 1897 г. он прочитал для профессорско-преподавательского состава Харьковского университета курс лекций по теории мышления и элементам логики. Вероятно в это время у него возникла мысль повторить (воспроизвести)"логическое пианино" - машину, изобретенную в 1870 г. английским ученым математиком Вильямом Стенли Джевонсом (1835-1882), профессором Манчестерского университета, книга которого "Основы науки" была переведена на русский язык в 1881 г. и, очевидно, была известна П.Д. Хрущеву. К тому же по материалам книги профессором математики Одесского университета И.В. Слешинским в 1893 г. была опубликована статья "Логическая машина Джевонса" ("Вестник опытной физики и элементарной математики", семестр ХY, № 7). Джевонс не придавал своему изобретению практического значения. "Логическое пианино" трактовалось и использовалось только как учебное пособие при преподавании курса логики. Судя по всему, профессор П.Д. Хрущев, воссоздавший машину Джевонса, (в начале 1900-х гг. или несколько ранее), намеревался использовать ее подобно Джевонсу как учебное пособие во время своих лекций по логике и мышлению. После смерти П.Д. Хрущева в 1909 г. его вдова передала машину Харьковскому университету, где он долгое время работал. Каким образом А.Н. Щукарев отыскал машину, сконструированную П.Д. Хрущевым - неизвестно. Сам А.Н. Щукарев в статье "Механизация мышления" (1925 г.) пишет, что она досталась ему "по наследству".А.Н. Щукарев вел большую просветительскую работу, выступал с лекциями на тему познания и мышления во многих городах Украины, а также в Москве и Ленинграде. Первое время он демонстрировал машину, построенную Хрущевым, а затем - сконструированную им самим. В указанной выше статье он сообщает: "Я сделал попытку построить несколько видоизмененный экземпляр, вводя в конструкцию Джевонса некоторые усовершенствования. Усовершенствования эти, впрочем, не носили принципиального характера. Я просто придал инструменту несколько меньшие размеры, сделал его весь из металла и устранил кое-какие конструктивные дефекты, которых в приборе Джевонса, надо сознаться, было довольно порядочно. Некоторым дальнейшим шагом вперед было присоединение к инструменту особого светового экрана, на который передается работа машины и на котором результаты "мышления" появляются не в условно-буквенной форме, как на самой машине Джевонса, а в обыкновенной словесной форме". К сожалению, машины Хрущева и Щукарева не сохранились. Однако, в статье "Механизация мышления" (логическая машина Джевонса), опубликованной профессором А.Н. Щукаревым в 1925 г. ("Вестник знания", № 12), дается фотография машины сконструированной Щукаревым и ее достаточно подробное описание, а также, что очень важно - рекомендации по ее практическому применению. Главное, что сделал Щукарев, заключалось в том, что он, в отличие от Джевонса и Хрущева, видел в машине не просто школьное пособие, а представлял ее своим слушателям как техническое средство механизации формализуемых сторон мышления. Статью "Механизация мышления" он начинает с изложения истории создания технических средств для счета. Упоминает абак, суммирующую машину Паскаля, арифметический прибор Лейбница, логарифмическую линейку и аналоговые дифференцируемые машины для решения уравнений. Механизация формализуемых логических процессов рассматривается им как следующий шаг в развитии подобных устройств, оказывающих существенную помощь человеку в умственной работе. В качестве примера в статье приводится решение задачи прогнозирования электрических свойств водных растворов окислов химических элементов. С помощью машины были найдены восемь вариантов растворов электролитов и неэлектролитов. "Все эти выводы совершенно правильны, - пишет ученый, - однако мысль человеческая сильно путалась в этих выводах". Как и в наше время, когда в бывшем Советском Союзе кибернетику посчитали вначале лженаукой, так и в 20-е годы воззрения А.Н. Щукарева, помимо доброжелательного отношения, оценивались рядом ученых резко отрицательно. Профессор И.Е. Орлов в 1926 г. на страницах журнала "Под знаменем марксизма" написал: "…Претензии профессора Щукарева, представляющего школьное пособие Джевонса в качестве "мыслящего" аппарата, а также наивное изумление его слушателей, - все это не лишено некоторого комизма. …Нас хотят убедить в формальном характере мышления, в возможности его механизации" (Орлов И. О механизации умственного труда // Под знаменем марксизма. - № 12. - 1926 г.). К чести журнала - его редакция не согласилась со взглядами автора статьи.Последнюю лекцию А.Н. Щукарев прочитал в Харькове в конце 1920-х гг. Свою машину он передал Харьковскому университету на кафедру математики. В дальнейшем след ее потерялся. В истории развития информационных технологий в Украине и в бывшем Советском Союзе имя А.Н. Щукарева связано с важным шагом в области обработки информации - пониманием и активной пропагандой важности и возможности механизации (в дальнейшем автоматизации) формализуемых сторон логического мышления. Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это, прежде всего, их элементная база (из каких основных элементов они построены). Элементной базой машин первого поколения были электронные лампы - диоды и триоды, ЭВМ второго поколения - полупроводниковые элементы, ЭВМ третьего поколения - интегральные схемы (ИС), ЭВМ четвертого поколения - большие интегральные схемы (БИС). Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Кроме элементной базы должны учитываться такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим - к другому поколению. И все, же несмотря на эту условность, каждое поколение ЭВМ можно считать качественным скачком в развитии электронно-вычислительной техники. Следует заметить, что первая ЭВМ (ЭНИАК) с программным управлением разрабатывалась в США в условиях Второй мировой войны и была построена к 1946 г. При сравнении ее с современной вычислительной техникой эту машину образно называют "динозавром в мире млекопитающих". Действительно, она представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 м., содержала до 18 тыс. электронных ламп и потребляла около 150 кВт электроэнергии. Однако для своего времени она знаменовала большое достижение, так как применение электронных реле (триггеров) вместо электромеханических реле позволило почти на три порядка ускорить выполнение арифметических операций. В самом деле, если машина "МАРК II" могла выполнять в секунду около пяти сложений или одно умножение, то "ЭНИАК" способна была произвести до 5 тыс. сложений или 500 умножений в секунду. Истекшие более 40 лет истории электронной вычислительной техники характеризировались стремительным улучшением характеристик ЭВМ и, прежде всего, увеличением быстродействия и емкости памяти. Быстродействие, или, другими словами, скорость работы ЭВМ (V), измеряют количеством простейших операций (типа сложения или вычитания) в секунду, а емкость памяти (М) - количеством байтов. Напомним, что 1 байт = 8 бит. Быстродействие ЭВМ определяет ее производительность, а емкость памяти - сложность задач, которые ЭВМ может решать (длину программы и количество исходных данных, необходимых для решения задачи). Но в конечном счете емкость памяти определяет также и производительность ЭВМ, так как при малой емкости быстродействующая машина быстро использует все размещенные в памяти данные в программу и будет простаивать и ждать, когда же извне будут введены новые данные и программа. Рассмотрим теперь, как изменялись основные характеристики ЭВМ (быстродействие и емкость памяти) с момента их создания до настоящего времени. Первые ЭВМ имели быстродействие от сотен до тысяч операций в секунду и емкость памяти от сотен до тысяч байт. Заметим, что, говоря о памяти, мы здесь будем иметь в виду оперативную или внутреннюю память ЭВМ. Так называют ту часть памяти, в которой хранятся выполняемая программа и данные (или часть их), непосредственно используемые при выполнении этой программы. Очевидно, что оперативная память должна функционировать в темпе работы арифметического устройства ЭВМ. Кроме оперативной, различают внешнюю память на магнитных лентах и дисках. Внешняя память (особенно на магнитных лентах) может иметь практически неограниченную емкость. Уже в 1960 г. существовали системы ЭВМ, выполнявшие миллионы операций в секунду, а емкость их памяти достигла сотен тысяч байт. Следует отметить что здесь речь идет о характеристиках лучших в мире, уникальных ЭВМ. Естественно, что ЭВМ серийного выпуска имели характеристики на один-два порядка ниже.

Страницы: 1 2 3 4 5 6

Историография
Научная литература рассматривается нами в данной главе в трех планах, в расположении которых избран принцип от общего к частному. Во-первых, предлагается краткий обзор теоретических, концептуальных разработок учеными феодальной собственно ...

Вотчины приписных монастырей в ХVП в.
Наиболее продуктивный период роста землевладения Троицкой духовной корпорации за счет вотчин приписных монастырей наблюдался одновремено с их припиской во втором десятилетии ХVП в. В общих жалованных грамотах царя М.Ф.Романова I6I7, I624 ...

Вотчинные хозяйственные книги.
Обзор наиболее важных из них также уже был нами дан 132. Частыми же акцентами на необходимости сопоставления писцовых книг с внутривотчинными в предшествующем параграфе главы разговор об этом ценнейшем виде источников был фактически начат ...