История развития средств вычислительной техники (Периоды истории вычислительной техники)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы курсовой работы. Широкое использование компьютеров привело к тому, что все больше людей стали осваивать азы компьютерных технологий, а программирование постепенно превратилось из рабочего инструмента специалиста в элемент культуры. В то же время история развития средств инструментального счета известна в гораздо меньшей степени. Всего за шестьдесят пять лет компьютеры превратились из диковинных электронных монстров в мощные, гибкие, удобные и доступные инструменты. Компьютеры стали символом прогресса. Поскольку человеку необходимо обрабатывать все больше и больше информации, средства ее обработки - компьютеры - будут совершенствоваться, и появятся новые языки программирования.

К сожалению, невозможно учесть все разнообразие и сложность мира компьютерных технологий, но краткий экскурс в историю показывает развитие компьютерных технологий от первых счетных устройств до компьютеров, в мире которых живет современное человечество.

Таким образом, изучение истории компьютерных технологий необходимо для формирования мировоззрения и воспитания патриотизма у студентов на примерах выдающихся разработок отечественных ученых и инженеров, сохранения культурного наследия. Современный специалист должен знать историю своей отрасли, место и роль вычислительной техники в истории развития цивилизации. Кроме того, он должен иметь представление об основных этапах развития компьютерных технологий и языков программирования.

Объект исследования – средства вычислительной техники, предмет – исторические периоды развития средств вычислительной техники.

Цель курсовой работы – анализ основных исторических периодов развития средств вычислительной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи следующего порядка:

- ознакомиться с домеханическим и механическим периодами развития вычислительной техники;

-ознакомиться с электромеханическим и электронным периодами развития вычислительной техники;

-исследовать вопрос становления современного периода развития вычислительной техники, средства вычислительной техники будущего;

-ознакомиться с компьютерами пятого поколения: молекулярные и ДНК-компьютеры;

-ознакомиться с биокомпьютерами (нейрокомпьютеры) и квантовыми компьютерами;

-сделать основные выводы и дать заключение по теме курсовой работы.

Методы, используемыми для написания курсовой работы, являются: метод структурно-функционального анализа, системного анализа на основе принципов объективности и научности. Использованы также общенаучные методы анализа, синтеза, индукции, дедукции, формализации и абстрагирования, сравнения и определения.

Структура работы состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.

1 Периоды истории вычислительной техники

1.1 Домеханический и механический периоды развития вычислительной техники

Понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди учились считать на протяжении многих веков, передавая и обогащая свой опыт из поколения в поколение. С древних времен человечество сталкивалось с проблемами, которые требовали все большего количества вычислений. Со временем большинство из них нашли решения. Еще в древности некоторые области математики были настолько развиты, что образованный человек тех лет по уровню знаний едва ли уступал нынешнему выпускнику школы. Возникновение земельной собственности потребовало определения способов расчета площади земельных участков, что привело к рождению геометрии. Достижения Евклида, Пифагора и других греческих ученых в этом направлении хорошо известны[2,с.34].

Развитие торговли также ставит новые задачи. Помимо учета товаров и денежных сумм, есть более сложные задачи. Купцам приходилось совершать все более длительные путешествия, а для этого требовались средства судоходства.

Эти проблемы решали и астрономы древности. В конце концов, все сводилось к расчетам, и чем они были точнее, тем успешнее решались реальные задачи. Также необходимо было осуществлять торговые операции, проводить межевание земель и управлять запасами сельскохозяйственных культур[2,с.57].

Вычислительная мощность большинства из нас очень ограничена. Даже сложить в уме стоимость нескольких небольших покупок и подсчитать сумму сдачи не так-то просто, а уж тем более о вычислении орбиты планеты или координат звезды и говорить не приходится[2,с.69].

Поэтому наряду с развитием теории ученые работали над проблемой автоматизации компьютеров. Но здесь, к сожалению, прогресс был гораздо медленнее. Для расчетов использовались всевозможные инструменты, которые имели разные возможности и назывались по-разному и здесь существует классификация следующего порядка[1,с.49]:

- примитивные средства;

- первые приспособления;

- первые устройства.

Самым древним вычислительным инструментом, который сама природа предоставила в распоряжение человека, была его собственная рука - великолепный естественный компьютер. Он имеет важные преимущества, которые современные инженеры стремятся дать разработанным счетным устройствам[1,с.47].

Преимущества счета на пальцах:

- простота и надежность;

- компактный размер;

- удобство «хранения и транспортировки», то, что всегда «под контролем»;

- работает в обычной системе счисления - десятичной.

У разных народов вместо камней использовались разные приспособления - кости, бобы, ракушки[1,с.52].

Названия цифр на многих языках указывают на то, что инструментом счета первобытного человека были в основном пальцы. Не случайно в древнерусской нумерации единицы называются «пальцами», десятки - «составами», а все остальные числа - «составами». Рука - пясть - является синонимом и фактической основой числительного «пять» во многих родах.

Настоящая потребность в автоматических расчетах возникла в средние века в связи с резким увеличением коммерческих операций и морских перевозок в этот период.

Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство требовало надежных навигационных таблиц.

С древних времен люди пытались понять окружающий мир и использовать свои знания, чтобы защитить себя от всевозможных бедствий. Мы заметили, например, что приливы связаны с различным положением Луны, и возник вопрос: «Можно ли построить математический закон изменения положения Луны и использовать его для предсказания приливов?»

Ученые составили огромные таблицы, в которых фиксировали изменения положения Луны, которые использовались для проверки правильности различных предложенных формул движения естественного спутника Земли. Такая проверка строилась на огромном количестве арифметических вычислений, которые требовали от исполнителя терпения и аккуратности.

Чтобы облегчить и ускорить такую ​​работу, были разработаны числовые устройства. Так появились различные механизмы - первые суммирующие и арифметические машины [7,с.85]

За почти 500 лет цифровые вычисления превратились в простейшие устройства для выполнения арифметических операций с числами.

Основой почти всех устройств, изобретенных за 5 веков, была шестеренка, предназначенная для фиксации 10 цифр десятичной системы счисления[7,с.63].

В. Шиккард разработал счетную машину для суммирования и умножения шестизначных десятичных чисел.

Причиной, побудившей В. Шикарда разработать такую ​​машину, было его знакомство с польским астрономом Иоганном Кеплером.

Работа великого астронома в основном была связана с расчетами. В. Шиккард решил помочь ему в его нелегком деле. В своих письмах к Иоганну Кеплеру в 1623 году Шикард описывает конструкцию суммирующей машины (рис. 1), которую он назвал «счетными часами» [7,с.82].

Рисунок 1 - Реконструкция машины Шиккарда [8,с.55]

Машина Шиккарда состояла из трех частей[8,с.57]:

− суммирующего устройства (для выполнения сложения и вычитания);

− множительного устройства (для выполнения умножения);

− механизма для записи промежуточных результатов.

Множительное устройство занимает верхнюю часть машины, суммирующее – среднюю, для хранения чисел используется нижняя часть машины. Суммирующее устройство было шестиразрядным.

В каждом разряде на оси была закреплена шестерня с десятью зубцами и колесо с одним зубом, пальцем. Палец служил для передачи десятка в следующий разряд и после полного оборота шестерни поворачивал шестерню следующего разряда на 1/10 оборота, что соответствовало сложению с единицей[8,с.60].

Сложение осуществлялось последовательным вводом слагаемых, а вычитание – последовательным вводом уменьшаемого и вычитаемого. При вычитании шестерни вращались в другом направлении. В окошках считывания машины можно было прочитать результат, уменьшаемое и вычитаемое. Деление выполнялось путем многократного вычитания делителя из делимого. Для умножения использовались таблицы умножения, навернутые на шесть осей[9,с.50].

Первую машину, которая могла считать сама, создал французский ученый Блез Паскаль (1623–1662). Он задумал ее еще в детстве. Его отец работал сборщиком налогов и все вечера занимался подсчетами. Сын видел, как отец уставал от этого занятия, и мечтал подарить отцу машину, которая бы облегчила его труд. В 1642 г. Б. Паскаль сконструировал первый механический вычислитель, позволяющий складывать и вычитать числа[9,с.53].

Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса). Таким образом, в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов. Эта машина вошла в историю вычислительной техники под названием «Паскалина»

Рисунок 2 - Первый механический вычислитель «Паскалина» [9,с.55]

За время работы над устройством Паскаль сделал более 50 различных моделей своей машины, в которых он экспериментировал не только с материалами, но и с формой деталей машины. До наших дней сохранилось восемь его машин

1.2 Электромеханический и электронный периоды развития вычислительной техники

В истории компьютерных технологий этот период был наименее продолжительным - с 1888 по 1945 год. Напомним, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера. Были представлены цифры[11,с.44]:

- в виде линейных перемещений цепных и реечных механизмов;

- в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов.

В обоих случаях это были движения, которые существенно влияли на размер устройств и скорость их работы. Только переход от записи движения к записи сигнала позволил существенно уменьшить размер и увеличить скорость. Однако на пути к этому достижению необходимо было ввести еще несколько важных принципов и концепций. К ним относятся: двоичная система счисления и математическая логика Джорджа Буля.

Двоичная система счисления. Идеи Чарльза Бэббиджа относительно устройства полностью автоматизированной счетной машины и принципов ее работы были реализованы только в середине ХХ века в современных компьютерах[11,с.86].

Основным тормозом был механический принцип счета, который доминировал в технике счета более 300 лет, и десятичная система счисления. Очевидно, такая ситуация не могла длиться долго.

Достижения в области электроники и электротехники привели к созданию быстродействующих счетных элементов. Но с переходом на электрические схемы счета появился новый фактор - нестабильность десятипозиционных счетных элементов[11,с.75].

Если зубчатое колесо должно было быть абсолютно надежно закреплено в каждом из его 10 рабочих положений, то электрические элементы требовали фиксации десяти очень близких значений тока или напряжения в цепи. Это было непросто, потому что из-за случайных колебаний напряжения не всегда можно было различить эти значения.

Оказалось, что если уменьшить количество самих состояний, устойчивость каждого из них повышается. Одно состояние идеально - оно абсолютно стабильное, хотя абсолютная стабильность не имеет смысла, так как такой элемент не сможет ничего посчитать. Поэтому наиболее стабильным элементом для ведения счета является элемент с двумя рабочими состояниями - двухпозиционное устройство. Самая распространенная система счисления - десятичная, так как у нас на обеих руках по десять пальцев[1,с.84].

Таким образом, десятичная дробь в используемой системе счисления связана со структурой нашего тела. Двоичная система счисления также примерно связана с «физиологией» электрических элементов. Некоторые европейские мыслители эпохи Просвещения проявили большой интерес к простой и элегантной двоичной системе счисления. Постепенно эта система проникала из одной научной дисциплины в другую, из логики и философии в математику, а затем и в вычисления [1,с.154]

Двоичная система счисления Г. Лейбница. И. Лейбниц изучал свойства двоичной системы счисления. Он считал, что на основе бинарной системы можно создать универсальный язык для объяснения явлений мира и использовать его во всех науках, включая философию. В 1666 г. Г. Лейбниц написал произведение «Искусство составления комбинаций». В этой работе были заложены основы общего метода, который позволяет свести мысли человека - любого рода и по любой теме - к совершенно точным формальным утверждениям[1,с.104].

Таким образом, появилась возможность перевести логику (или, как ее называл Г. Лейбниц, законы мышления) «из вербальной области, полной неопределенностей, в область математики», где отношения между объектами или высказываниями определяются точно.

Кроме того, Г. Лейбниц призвал к принятию «общего языка, который бесконечно отличается от всего, что существовало до сих пор, поскольку его символы и даже его слова должны направлять наш разум, а ошибки, отличные от тех, которые присущи исходным фактам. просто будут ошибки расчета[4,с.83].

Создать или изобрести такой язык или такие концепции очень сложно, но их будет легко понять без всяких словарей».

Современники Лейбница игнорировали его работы, а сам Лейбниц не развивал идею нового языка. Однако прошло десятилетие и позже он начал изучать строгие математические законы, применяемые к двоичной системе счисления. И при всей своей гениальности Г. Лейбниц не мог найти полезного приложения для полученных результатов[4,с.79].

Изобретенная им счетная машина была разработана для работы с десятичными знаками, и г. Лейбниц не изменил его для двоичных чисел. Затем Г. Лейбницу пришла в голову идея использовать двоичные числа в вычислительном устройстве, но он даже не пытался построить такую ​​машину.

Во время механического, электромеханического и раннего электронного периодов развития цифровые вычисления оставались областью технологий, научные основы которой только закладывались.

Предпосылки появления электронно-вычислительной техники[4,с.103]:

1. Математическая подготовка: двоичная система счисления, которую Г. В. Лейбниц предлагал использовать для организации вычислительных машин, алгебра Алгебра логики, разработанная Дж. Р. Р. Толкином. Булево.

2. Алгоритмические предпосылки - абстрактная машина Тьюринга, используемая для доказательства возможности машинной реализации любого алгоритма, имеющего решение.

3. Техническая база-разработка электроники.

4. Теоретические основы - результаты работы К. Шеннона, объединившего электронику и логику.

Электронные вычислительные машины появились, когда возникла острая необходимость в очень трудоемких и точных расчетах, особенно в таких областях, как атомная физика, теория динамики полета и управление самолетом. В связи с переходом на электронные безынерционные элементы произошел качественный скачок в характеристиках. Работа, которая привела к созданию совершенно новой области техники - электроники, была начата в конце XIX века. В 1884 году Т. Эдисон описал открытое им явление термоэлектронной эмиссии. В 1897 г. немецкий физик Г. Браун изобрел электронно-лучевую трубку[6,с.118].

Триод - одна из самых популярных электронных ламп - был создан в 1906 году американцем Ли де Форстером, а уже в 1918 году наш соотечественник М. Бонч-Бруевич изобрел ламповый спусковой механизм, который впоследствии сыграл огромную роль в развитии вычислительной техники.

К началу 40-х годов, т.е. ко времени появления первых автоматов, электронные устройства уже получили значительное развитие и распространение. Они широко использовались во многих областях техники, прежде всего в радиотехнике. Зарождались телевидение и радиолокация, развивалась электронная контрольно-измерительная техника[6,с.92].

Казалось, что достигнутой скорости вычислений хватит всем и надолго, но реальность очень быстро заставила искать новые способы ускорения счета. Вторая мировая война поставила человеческую жизнь (летчика, артиллериста и т. Д.) В зависимость от скорости вычислений. Побеждали те, кто быстрее и точнее принимал решения (а для этого и требовались расчеты). Именно эта дилемма заставила человечество изобрести электронные компьютеры и тем самым вступить в новую эру - эру компьютеров. Это не значит, что без войны не наступила бы эпоха компьютеров. Эта тенденция в любом случае привела бы к созданию компьютеров[6,с.73].

Война только увеличила потребность в быстром подсчете и тем самым активизировала работы по созданию компьютеров. Решение этой проблемы было взято крупнейшими учеными того времени. Среди них был Норберт Винер - известный американский математик. Он указал, как, наблюдая за траекторией полета самолета до выстрела, можно определить положение его ствола в момент выстрела, при котором вероятность поражения будет максимальной[7,с.68].

Метод, предложенный Н. Винером, требовал большого объема вычислений, которые приходилось производить в те моменты, когда самолет приближался к цели, то есть за 2-3 секунды. С такой задачей счетный автомат не подходит. Нам нужна была электроника. Н. Винер сформулировал ряд требований к компьютерам[7,с.142]:

1) они должны состоять из электронных ламп (для обеспечения достаточной производительности);

2) следует использовать более экономичную двоичную, а не десятичную систему счисления;

3) машина сама должна корректировать свои действия, необходимо развивать способность к самообучению.

С переходом на безынерционные электронные элементы в вычислительной технике был достигнут значительный прогресс. Вычислительные машины, построенные на электронных триггерных схемах с использованием вакуумных триодов, открыли новое направление в вычислительной технике, их стали называть «электронными компьютерами»[7,с.102].

Соответственно, напомним, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера. Были представлены цифры: в виде линейных перемещений цепных и реечных механизмов; в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов.

Таким образом, в первой главе курсовой работы проводится краткий анализ основных четырех исторических периодов развития вычислительной техники в целом.

2 Становление современного периода развития вычислительной техники, средства вычислительной техники будущего

2.1 Компьютеры пятого поколения: молекулярные и ДНК-компьютеры

Прогресс в развитии вычислительной техники от первого до четвертого поколения был связан с развитием элементной базы.

Переход к компьютерам пятого поколения предполагает переход к новым технологиям и архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта. Определить требования к компьютерам пятого поколения крайне сложно, поскольку они все еще находятся в стадии разработки[9,с.52].

Так, в 1982 году в Японии был создан Комитет по разработке компьютеров нового поколения (ICOT), который разработал план создания компьютеров пятого поколения.

Комитет определил следующие основные требования к компьютерам пятого поколения[9,с.53]:

1) создание продвинутого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, распознавание изображений);

2) разработка логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта;

3) создание новых технологий в производстве сверхбольших интегральных схем;

4) создание компьютерных архитектур и вычислительных систем с новыми возможностями:

- умение взаимодействовать с компьютером, используя естественный язык, человеческую речь и графические изображения[9,с.59];

- способность системы учиться, производить ассоциативную обработку информации, делать логические суждения, вести «разумный» разговор с человеком в форме вопросов и ответов;

- способность системы «понимать» содержимое базы данных, которая одновременно превращается в базу знаний, и использовать эти знания при решении задач[5,с.116].

Эти возможности компьютеров пятого поколения (машины с базами знаний, универсальные средства решения проблем) должны были быть реализованы программно. Предполагалось, что к 1991 году будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта.

С помощью языка Пролог и нововведений в дизайне компьютеров планировалось приблизиться к решению одной из основных задач этой отрасли информатики - задачи хранения и обработки знаний. Другими словами, не нужно было бы писать программы для компьютеров пятого поколения, но достаточно было бы объяснить на «почти естественном» языке, что от них требуется[5,с.189].

Предполагалось, что в компьютерах пятого поколения скорость машин и объем основной памяти будут: для персональных компьютеров - 2 млн. операций в секунду и 0,5–5 МБ, а для сверхпроизводительных компьютеров - от 1 до 5 МБ. 100 миллиардов операций в секунду и до 160 МБ. [5,с.217].

Однако планы создания специализированных «интеллектуальных» компьютеров, а тем более попытки произвести с их помощью еще одну компьютерную революцию, пока что оказались невозможными.

В любом случае «японский проект» ощутимых результатов не принес. Идет дальнейшее совершенствование технологии производства микрочипов и вычислительной техники, но ожидаемого перехода на принципиально новые технологии компьютеров пятого поколения не произошло.

Однако технология изготовления микропроцессоров уже приближается к принципиальным ограничениям. Закон Гордона Мура гласит, что плотность транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года. Вот уже двадцать лет этот закон реализуется[7,с.54].

Однако, следуя этому закону, к 2015-2020 годам размер транзистора должен быть уменьшен до четырех-пяти атомов[7,с.89].

Рассматривается множество альтернатив. Дальнейшее развитие компьютерных архитектур продолжается. По многим направлениям ведется интенсивное развитие.

Особенность этих архитектур в том, что все они основаны на несиликоновых технологиях[7,с.113].

Технологии, которые могут экспоненциально увеличить производительность компьютеров, включают:

- создание создания молекулярных компьютеров;

-создание создания биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

- разработка квантовых компьютеров;

- разработка оптических компьютеров. Кратко рассмотрим основные принципы их построения.

Молекулярные компьютеры - это вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (в основном органических).

Молекулярные компьютеры используют идею вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве. Во многих странах проводятся эксперименты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, который может изменять свою ориентацию и реагировать на воздействие тока, света и т. д. [7,с.108]

Ученые фирмы Hewlett-Packard и Калифорнийского университета (UCLA) доказали принципиальную возможность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана. [7,с.109]

Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер будет в сотни миллиардов раз экономичнее современных микропроцессоров.

ДНК-компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК и представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - ДНК-вентили компьютера MAYA II в пробирках[6,с.77]

Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в информатике как машина Тьюринга. Особое место принадлежит ДНК-процессорам[6,с.78]

ДНК-процессоры на уровне отдельных молекул работают очень медленно, но зато с их помощью можно организовывать параллельные вычисления, что дает перспективы по наращиванию производительности.

Кроме того, потребляемая мощность таких процессоров очень мала, поэтому очевидны преимущества над полупроводниковыми технологиями. В 1994 г. Леонард Адлеман, профессор университета Южной Калифорнии (один из изобретателей криптосистемы RSA), продемонстрировал, что с помощью пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную «задачу о коммивояжере» (кратчайший маршрут обхода вершин графа) [6,с.79].

Классические компьютерные архитектуры требуют множества вычислений с опробованием каждого варианта.

Метод ДНК позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений с помощью известных биохимических реакций. Затем возможно быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ.

Компьютер Л. Адлемана отыскивал оптимальный маршрут обхода для семи вершин графа. Но чем больше вершин графа, тем больше требуется компьютеру ДНК-материала. Было подсчитано, что для решения задачи обхода не 7 пунктов, а около 200, масса количества ДНК, необходимого для представления всех возможных решений, превысит массу нашей планеты [1,с.124]

Ученые Колумбийского университета и университета Нью-Мексико сообщили о создании ДНК-компьютера, способного проводить самую точную и быструю диагностику таких вирусов, как вирус западного Нила, куриного гриппа и т.д. Они представили первую интегральную ДНК-схему со средней степенью интеграции, которая на данный момент является самым быстрым устройством такого типа Изобретению дали название MAYA-II (Molecular Array of YES and AND logic gates), MAYA-II может играть в сложные крестики-нолики. Над ходом он может думать до тридцати минут, но зато никогда не проигрывает. MAYA-I, созданный ранее, умеет играть только в простые крестики-нолики [1,с.176]

В 2003 г. сотрудники лаборатории биомолекулярных компьютеров Вейцмановского научного института (Израиль) во главе с профессором Э. Шапиро объявили о создании новой модели биомолекулярной машины, которая не требует наружного источника энергии и работает в 50 раз быстрее, чем ее предшественники[1,с.205]. Более ранние системы зависели от молекул АТФ, которые являются главным источником энергии клеточных реакций. В последней модели молекула ДНК обеспечивает и обработку данных, и достаточное количество энергии для выполнения операций. Новый ДНК-компьютер, способный производить 330 трлн. вычислительных операций в секунду, был внесен в Книгу рекордов Гиннеса как «самое маленькое биологическое вычислительное устройство, когда-либо построенное человеком»

2.2 Биокомпьютеры (нейрокомпьютеры), квантовые компьютеры

Нейрокомпьютеры - это компьютеры, которые состоят из большого количества простых вычислительных элементов (нейронов), работающих параллельно. Элементы связаны друг с другом, образуя нейронную сеть. Они выполняют единообразные вычислительные действия и не требуют внешнего управления. Большое количество параллельных вычислительных элементов обеспечивает высокую производительность[7,с.64].

Архитектура нейрокомпьютеров отличается от архитектуры обычных вычислительных машин. Микрочипы похожи по структуре на нейронные сети человеческого мозга. Отсюда и произошло название.

Идея создания таких компьютеров основана на теории перцептрона - искусственной нейронной сети, способной к обучению. Первые перцептроны смогли распознать некоторые буквы латинского алфавита. Впоследствии модель персептрона была значительно улучшена[7,с.69].

Автором этих идей был американский нейрофизиолог Ф. Розенблатт. В 1958 году он предложил свою модель нейронной сети. Он указал, что структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы, могут дать ряд преимуществ, а именно[7,с.72-73]:

- более высокая надежность;

-параллельная параллельная обработка информационных потоков;

- способность учиться и настраивать;

- возможность автоматической классификации;

-ассоциативность.

Отсюда и особенности нейрокомпьютера. Он способен к обучению, а это значит, что он может справиться с задачами, которые не может выполнить обычный компьютер. Его главная особенность - возможность решать задачи без четкого алгоритма или с огромными потоками информации. Поэтому даже сегодня нейрокомпьютеры используются на финансовых биржах, где они помогают прогнозировать колебания обменных курсов валют и акций.

Нейрокомпьютеры, распознавая образы, корректируют полет ракет по заданному маршруту. Типичными представителями таких систем являются компьютеры семейства Mark фирмы «TRW» (первая реализация перцептрона, разработанная Ф. Розенблатом, называлась «Mark-I»)[10,с.143].

Рисунок 4 - Фрэнк Розенблатт и «Mark-1» (слева) [10,с.114].

Первый нейрокомпьютер – «Mark-I» – был продемонстрирован 23 июня 1960 г. Он был способен распознавать некоторые буквы английского алфавита. Модель «Mark III» фирмы «TRW» представляла собой рабочую станцию, содержащую до 15 процессоров семейства Motorola 68 000 с математическими сопроцессорами[10,с.208].

Система поддерживала до 65 тыс. виртуальных процессорных элементов с более чем 1 млн. настраиваемых соединений, позволяла обрабатывать до 450 тыс. межсоединений в секунду. «Mark IV» – это однопроцессорный суперкомпьютер с конвейерной архитектурой. Он поддерживает до 236 тыс. виртуальных процессорных элементов, что позволяет обрабатывать до 5 млн. межсоединений в секунду.

Компьютеры семейства Mark имеют общую программную оболочку ANSE (Artificial Neural System Environment), обеспечивающую программную совместимость моделей. Другой интересной моделью является нейрокомпьютер NETSIM, созданный фирмой Texas Instruments на базе разработок Кембриджского университета. Его производительность достигает 450 млн. межсоединений в секунду. Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут искать нужные решения посредством самопрограммирования, на основе соответствия множеств входных и выходных данных[12].

В настоящее время уже созданы и используются программные нейропакеты, которые доказывают возможность построения подобных машин на СБИС. Нейронные сети могут быть реализованы двумя путями: первый – это программная модель нейронной сети, второй – аппаратная. Основными коммерческими аппаратными изделиями на основе нейросети являются и, вероятно, в ближайшее время будут оставаться нейроБИС[12].

Среди разрабатываемых в настоящее время нейроБИС выделяются модели фирмы Adaptive Solutions (США) и Hitachi (Япония). НейроБИС фирмы Adaptive Solutions, вероятно, станет одной из самых быстродействующих: объявленная скорость обработки составляет 1,2 млрд. соединений в секунду и содержит 64 нейрона. НейроБИС фирмы Hitachi позволяет реализовать схему, содержащую до 576 нейронов[12].

Эти нейроБИС, несомненно, станут основой новых нейрокомпьютеров и специализированных многопроцессорных изделий. Большинство сегодняшних нейрокомпьютеров представляют собой просто персональный компьютер или рабочую станцию, в состав которых входит дополнительная нейроплата.

К их числу относятся, например, компьютеры серии FMR фирмы Fujitsu. Возможностей таких систем вполне достаточно для разработки новых алгоритмов и решения большого числа прикладных задач методами нейроматематики. Однако наибольший интерес представляют специализированные нейрокомпьютеры, непосредственно реализующие принципы нейронной сети.

Квантовый компьютер - это вычислительное устройство, которое использует квантово-механические эффекты путем выполнения квантовых алгоритмов. Основоположником теории квантовых вычислений считается лауреат Нобелевской премии, один из основоположников квантовой электродинамики Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института[3,с.156].

В 1958 году, моделируя квантовые процессы на компьютере, он понял, что объем памяти классического компьютера совершенно недостаточен для решения квантовых задач. Р. Фейнман предложил решать квантовые задачи с помощью квантового компьютера: природа проблемы должна соответствовать способу ее решения. И предложил один из вариантов квантового компьютера[3,с.27].

В 1995 году американский математик Шор разработал алгоритм вычисления простых множителей больших чисел для квантового компьютера, который используется в популярных системах шифрования RSA.

Шор показал, что если классический компьютер должен выполнить 21 000 операций, чтобы найти множители числа из 1000 двоичных цифр, то квантовому компьютеру для этого потребуется всего 10003 операции. В основе квантовых вычислений лежит атом - мельчайшая единица материи.

Квантовые вычисления фундаментально отличаются от традиционных вычислений, поскольку законы квантовой физики действуют на атомарном уровне. Один из них - закон суперпозиции: квант может находиться в двух состояниях одновременно[3,с.96].

Обычно бит может иметь значение либо единицу, либо нуль, а квантовый бит (qubit) может быть единицей и нулем одновременно. Атом – «удобное» хранилище информационных битов: его электроны могут занимать лишь ограниченное число дискретных энергетических уровней.

Так, атом высокого энергетического уровня мог бы служить логической единицей, а низкого – логическим нулем. Очевидным недостатком здесь является нестабильность атома, поскольку он легко меняет энергетический уровень в зависимости от внешних условий [4,с.216].

Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кванта электромагнитной энергии – фотона. При излучении фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять, используя действие электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные переходы с одного уровня на другой[4,с.258].

Наименьшей единицей информации в таком компьютере является, по аналогии с обычным компьютером, бит, только квантовый, сокращенно называемый «кубит» – qubit (q-bit) – Quantum Bit, который может иметь большое число состояний. «Кусочек» сохраненной в кубите «единицы», или «истины», описывается комплексным числом, квадрат абсолютной величины которого трактуется как вероятность пребывания в соответствующем состоянии. Количество информации здесь составляет 1 кубит [4,с.259].

Причем таких состояний у каждого кубита может быть множество, и все они могут быть различными – все в полном согласии с законами квантовой физики. Важнейшей основой квантовых вычислений является так называемое «запутанное» (entangled, т.е. взаимосвязанное, взаимозависимое, «переплетенное») состояние нескольких частиц: если несколько частиц составляют единую квантовую систему, то они вполне могут разлететься на (теоретически) произвольное расстояние, не теряя своего квантового единства. А это означает, что любое воздействие на одну из них автоматически меняет состояние другой точно так же, как если бы она была совсем рядом

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в ходе написания данной курсовой работы, было определено, что изучение истории компьютерных технологий необходимо для формирования мировоззрения и воспитания патриотизма у студентов на примерах выдающихся разработок отечественных ученых и инженеров, сохранения культурного наследия. Современный специалист должен знать историю своей отрасли, место и роль вычислительной техники в истории развития цивилизации. Кроме того, он должен иметь представление об основных этапах развития компьютерных технологий и языков программирования. С древних времен человечество сталкивалось с проблемами, которые требовали все большего количества вычислений. Со временем большинство из них нашли решения. Еще в древности некоторые области математики были настолько развиты, что образованный человек тех лет по уровню знаний едва ли уступал нынешнему выпускнику школы. Возникновение земельной собственности потребовало определения способов расчета площади земельных участков, что привело к рождению геометрии. Достижения Евклида, Пифагора и других греческих ученых в этом направлении хорошо известны. Основным тормозом был механический принцип счета, который доминировал в технике счета более 300 лет, и десятичная система счисления. Очевидно, такая ситуация не могла длиться долго.

Достижения в области электроники и электротехники привели к созданию быстродействующих счетных элементов. Но с переходом на электрические схемы счета появился новый фактор - нестабильность десятипозиционных счетных элементов. Если зубчатое колесо должно было быть абсолютно надежно закреплено в каждом из его 10 рабочих положений, то электрические элементы требовали фиксации десяти очень близких значений тока или напряжения в цепи. Это было непросто, потому что из-за случайных колебаний напряжения не всегда можно было различить эти значения.

Оказалось, что если уменьшить количество самих состояний, устойчивость каждого из них повышается. Одно состояние идеально - оно абсолютно стабильное, хотя абсолютная стабильность не имеет смысла, так как такой элемент не сможет ничего посчитать. Поэтому наиболее стабильным элементом для ведения счета является элемент с двумя рабочими состояниями - двухпозиционное устройство. Самая распространенная система счисления - десятичная, так как у нас на обеих руках по десять пальцев.

Некоторые европейские мыслители эпохи Просвещения проявили большой интерес к простой и элегантной двоичной системе счисления. Постепенно эта система проникала из одной научной дисциплины в другую, из логики и философии в математику, а затем и в вычисления. Двоичная система счисления Г. Лейбница. И. Лейбниц изучал свойства двоичной системы счисления. Он считал, что на основе бинарной системы можно создать универсальный язык для объяснения явлений мира и использовать его во всех науках, включая философию. В 1666 г. Г. Лейбниц написал произведение «Искусство составления комбинаций». В этой работе были заложены основы общего метода, который позволяет свести мысли человека - любого рода и по любой теме - к совершенно точным формальным утверждениям. Таким образом, появилась возможность перевести логику (или, как ее называл Г. Лейбниц, законы мышления) «из вербальной области, полной неопределенностей, в область математики», где отношения между объектами или высказываниями определяются точно.

И в заключении следует отметить, что широкое использование компьютеров привело к тому, что все больше людей стали осваивать азы компьютерных технологий, а программирование постепенно превратилось из рабочего инструмента специалиста в элемент культуры. В то же время история развития средств инструментального счета известна в гораздо меньшей степени. Всего за шестьдесят пять лет компьютеры превратились из диковинных электронных монстров в мощные, гибкие, удобные и доступные инструменты. Компьютеры стали символом прогресса.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Захаров Н. Г., Сайфутдинов Р. А. / Вычислительная техника / Ульяновск: УлГТУ, 2017. - 224 с.

2 Иванов, А. А. История развития информатики / А. А. Иванов. – М. : Образ, 2017. - 255с.

3 Ланина, Э. П. История развития вычислительной техники / Э. П. Ланина. – Иркутск : ИрГТУ, 2017. - 344с.

4 Леонтьев В. П. Большая энциклопедия компьютера и Интернета / В. П. Леонтьев. – М. : ОЛМА Медиа Групп, 2018. - 457с.

5 Петров, Ю. П. История и философия науки. Математика, вычислительная техника, информатика / Ю. П. Петров. – СПб. : БХВ-Петербург, 2018. - 657с.

6 Поликарпов, В. С. История науки и техники / В. С. Поликарпов. – М.: Феникс, 2018. - 536с

7 Савельев, Е. К. Информационная эпоха / Е. К. Савельев. – СПб. : Питер, 2017. - 245с.

8 Топчеев Ю.И. Об истории создания супер ЭВМ // История науки и техники. - 2017. - №9. - С.55-65.

9 Топчеев Ю.И. История создания цифровых механических и электромеханических вычислительных машин // История науки и техники. - 2018. - №8. - С.50-60.

10 Таненбаум, Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум. – 5-е изд. – СПб.: Питер, 2017. - 336с

11 История информатики в России: сб. ст. / Рос. акад. наук; отв. ред. А. С. Алексеев. – М.: Наука, 2017. - 536с

12 Малашевич Б. М. / Троичная система счисления, трехзначная логика и ЭВМ на их основе. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ithistory.ru/index.php/%D0%A4%D0%B0%D0%B9% D0%BB:09_troichnyi_EVM.pdf/ (дата обращения: 04.03.2021).