Автор Анна Евкова
Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

История развития средств вычислительной техники: сущность и характеристика

Содержание:

Введение

Математика и информатика используются во всех сферах современного информационного общества. Современное производство, компьютеризация общества, внедрение современных информационных технологий требуют математической и информационной грамотности и компетентности. Однако на сегодняшний день в школьном курсе информатики и ИКТ зачастую предлагается односторонний образовательный подход, не позволяющий должным образом повысить уровень знаний из-за отсутствия в нём математической логики, необходимой для полного усвоения материала. Кроме того, отсутствие стимуляции творческого потенциала учащихся негативным образом отражается на мотивации к обучению, и как следствие, на конечном уровне умений, знаний и навыков. Как можно изучать предмет не зная его истории. Данный материал можно использовать на уроках истории, математики и информатики.

В наше время трудно представить себе, что без компьютеров можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и мало известным широкой публике. Однако в 1971 году произошло событие, которое в корне изменило ситуацию и с фантастической скоростью превратило компьютер в повседневный рабочий инструмент десятков миллионов люде. Вышесказанное определяет актуальность темы исследования.

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. Более 1500 лет тому назад (а может быть и значительно раньше) для облегчения вычислений стали использоваться счеты.

Вторая половина XX века характеризовалась началом «информационного взрыва», то есть необходимостью обрабатывать огромное количество информации. Для сбора, хранения, использования и распространения большого объема информации необходимо было специальное устройство. Таким устройством явился компьютер (электронная вычислительная машина, ЭВМ). В настоящее время компьютеры представлены практически во всех областях жизни человека. Для того чтобы полно оценить влияние компьютеров на жизнь человека и его будущее, необходимо понять, как проходила их эволюция.

Целью данной курсовой работы является изучение истории развития средств вычислительной техники.

Задачи курсовой работы:

- провести анализ основных этапов развития вычислительной техники;

- выделить особенности развития вычислительной техники в современное время;

- рассмотреть перспективы развития искусственного интеллекта.

Структура курсовой работы: работа состоит из введения, двух основных глав, пяти параграфов, заключение и списка литературы.

Глава 1. Анализ основных этапов развития вычислительной техники

1.1. Домеханический этап развития вычислительной техники

Самыми первыми вычислительными приспособлениями были собственные пальцы человека. Когда этого средства оказывалось недостаточно, в ход шли камушки, палочки, ракушки. Складывая такой набор десятками, а затем и сотнями, человек учился считать и пользоваться средствами измерения чисел. Именно с камушков и ракушек началась история развития вычислительной техники. Раскладывая их по разным столбцам (разрядам) и добавляя или убирая нужное количество камушков, можно было производить сложение и вычитание больших чисел. При многократном сложении можно было выполнять даже такое сложное действие, как умножение. [4]

В домеханический период использовались подсобные средства для счета и создавались таблицы, календари, устройства и приборы, облегчающие счет человеку.

Вообще потребность в счете возникла у людей в давние времена. Вначале регистрация счета была довольно примитивной: счет либо осуществлялся на костяных или каменных орудиях труда, на которых делались зарубки, либо сводился к перекладыванию по определенным правилам камешков, костяшек, дощечек.

В качестве математических приемов счисления уже в IV тысячелетии до н.э., надо полагать, применялась непозиционная (неоднозначная) система. А тысячу лет спустя появилась позиционная (шестидесятичная) система счисления. [1]

Первое свидетельство о средствах подсчета относится примерно к 3-тысячному году до н.э. Именно этим временем датируется найденная археологами вблизи местечка Вестаница в Чехии т.н. «вестаницкая кость» с зарубками. Тогда же месопотамские математики использовали табулированные величины (таблицы обратных величин, умножения, второй и третьей степени, квадратных и кубических корней), составлялись календарные расчеты астрономических явлений.

В произведениях древнегреческих поэта Гомера и драматурга Аристофана, относящихся к V-IV вв. до н.э., упоминается о распространении пальцевого счета, который зародился, очевидно, ранее. Его до сих пор используют в ряде случаев биржевые маклеры. [14]

В середине I тысячелетия до н.э. были созданы древнейшие из вычислительных устройств:

«саламинская доска» — на острове Саламин в Эгейском море, «абак» — в Древней Греции и Риме, а затем в Западной Европе, «суанпан» — в Китае, «серобян» — в Японии. Они представляли собой доски из бронзы, камня, дерева, слоновой кости, цветного стекла с полосковыми углублениями, в которых перемещались с целью вычисления кости или камешки (калькули). Эти счеты просуществовали до эпохи Возрождения.

Выдающимся событием I тысячелетия н.э. было создание в IX в. «Арифметического трактата» узбекским ученым Мухаммедом бен Муса ал-Хорезми (Мухаммедом сыном Мусы из Хорезма). В XII в.

Трактат был переведен с арабского на латинский язык средневековой Европы. Европейцы впервые познакомились с десятичной системой счисления, пришедшей к арабам из Индии. Широко в мире стали известны четыре арифметические действия, а сами их правила долгое время назывались именем алХарезми — алхоризм, algorithmi, алгоритм. Это не могло не способствовать развитию средств вычислительной техники. [4]

В эпоху Возрождения появились канцелярские счеты, пришедшие в Европу с Востока. В начале XVII в. стало известно несколько их устройств. Одним из них были палочки Непера, позволявшие производить умножение. Другим было устройство, которое называется сейчас логарифмической линейкой.

В России средства, облегчавшие вычисления, также были известны еще в давние времена. Так, при строительстве храмов в Киевской Руси применялись графики и специальные устройства для определения размеров и форм куполов, арок и других элементов архитектуры. В XVI в. здесь широко использовался «счет костьми» при измерении вотчинных и поместных владений, государственных земель, а также при подсчетах в торговле и артиллерии. Для облегчения налоговых счислений была создана т.н. «сошная арифметика», в которой соха принималась за единицу счета, a в дальнейшем — «дощатый счет» и конторские счеты

1.2. Механический этап развития вычислительной техники

Механический период означал появление машин, в которых операции выполнялись механизмами, приводившимися в действие человеком. Уже во времена средневековья стали механически интерпретировать и воспроизводить функции человеческого мозга. Так, «мыслительная машина» средневекового богослова Луллия, дававшая ответы' на вопросы «сколько?», «когда?», «какой из двух?» и др.. представляла собой ПОПЫТКА механического воспроизведения самого процесса мышления человека. Вопросы и ответы в ней строились на основе таких характеристик, как грех, добродетель и т.п. Один из проектов механической вычислительной машины принадлежит выдающемуся художнику и мыслителю эпохи итальянского Возрождения Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.). Он набросал эскиз тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятизубными колесами. Этот набросок был обнаружен в конце 60-х годов XX в. в архиве автора, хранящемся в Национальной библиотеке Мадрида. [13]

В соответствии с ним уже в наши дни американская фирма по производству компьютеров IBM в целях рекламы построила действующую машину.

Первая счетная машина, о которой сохранились сведения, описана в 1623 г. немецким профессором В. Шиккардом. Нет точных данных, была ли она построена, но в начале 60-х гг. нашего века ее сконструировали по этим описаниям ученые Тюрингского университета. Операции сложения и вычитания осуществлялись в ней механически, а умножения и деления — с элементами механизации. Более известна машина французского математика, физика и философа Б. Паскаля. Молодой. 18-летний Паскаль, независимо от В. Шиккарда, в течение трех лет упорного труда (1641-1644) создал машину («Паскалину»), которая могла суммировать. Он делал ее в помощь отцу — правительственному ревизору финансов. О ней ходили легенды и писали стихи. Весь высший свет стекался в Люксембургский дворец, чтобы посмотреть на удивительное изобретение. Его автор получил королевскую привилегию на изготовление и продажу своей машины. В настоящее время существует более 50 экземпляров машины Паскаля. Несколько ее моделей демонстрируется в одном из музеев Парижа. [2]

Вычислительную машину, с помощью которой можно было складывать, умножать и делить, изобрел знаменитый немецкий математик и философ Г. Лейбниц. В 1673 г. он представил ее в Академию наук в Париже.

Немало вычислительных приборов было создано в России — М. В. Ломоносовьм, Е. Г. Кузнецовым (верстметр), Е. Якобсоном (девятиразрядная суммирующая машина) и др. Последний был механиком из Несвижа Минского воеводства. Его машина, датируемая не позднее 1770 г., хранится в музее им. М. В. Ломоцосова в Санкт-Петербурге.

Конечно, первые машины были несовершенны. Дороговизна изготовления, частые поломки и сложность устройства препятствовали их широкому практическому применению. Они выпускались в одном или нескольких экземплярах.

Массовое производство вычислительных машин впервые организовал К. Томас — основатель и руководитель двух парижских страховых обществ. В 1820 г. он построил вычислительную машину, в которой был использован принцип работы ступенчатого валика в машине Лейбница, и начал ее изготовление на рынок. Постепенно Томас совершенствовал свои машины. Так было положено начало счетному машиностроению. [12]

Изучив счетную машину Томаса, инженер Петербургской государственной экспедиции бумаг В. Т. Однер в 1873 г, построил знаменитый арифмометр. В 1896 г. на Нижегородской выставке эта машина была удостоена серебряной медали, а в 1900 г. на Всемирной выставке в Париже — золотой медали. Через три года на выставке в Чикаго она вновь отмечается высшей наградой. В России впервые в мире было организовано ее фабричное производство. Конструкция оказалась настолько удачной, что она по существу не менялась более 100 лет.

Впоследствии в конструировании и совершенствовании арифмометров принимали участие многие ученые, в том числе и выдающийся русский ученый П. Л. Чебышев. В 1878 г. он сконструировал и построил оригинальную машину для выполнения сложения, а в 1882 г. — первую автоматическую вычислительную машину, принцип работы которой долгое время применялся в большинстве механических машин. Модель счетной машины Чебышева экспонировалась в 1913 г. на Всемирной выставке в Париже. В настоящее время она хранится в Парижском музее.

Появилось несколько типов вычислительных машин, в т.ч. клавишные вычислительные машины. Они автоматически складывали, умножали и делили многозначные числа. Некоторые могли извлекать квадратные корни и выполнять другие арифметические операции. Дальнейшее совершенствование вычислительных машин привело к тому, что их стали соединять с пишущими механизмами. Так появились машины, которые печатали исходные данные и результаты вычислений. [3]

Производительность клавишных машин зависела от того, как быстро человек набирал числа на клавиатуре и нажимал на клавиши. Это одерживало скорость работы машин. Начались поиски ее повышения. В начале XIX в. англичанин М. Ж. Жаккарт изобрел принцип стандартных картонных прокладок с пробитыми отверстиями, который применил в ткацком деле. Эти прокладки несли на себе информацию, необходимую для управления работой станка. Они явились прототипом перфокарт. Решающий вклад в развитие вычислительной техники внес английский математик И. Бэббидж (1792—1871 гг.). Он разработал проект вычислительной машины, которая состояла из тех же узлов, что и современные компьютеры. В 1822 г. он построил небольшую рабочую модель аналитической машины, которая состояла из трех основных блоков: «склада» для хранения цифровой информации, «фабрики» для обработки информации и устройства управления.

Однако попытка создания вычислительных машин такого типа окончилась тогда неудачей.

Машина была технически сложной, а практической потребности в ней еще не было. Ч. Бэббидж опередил свое время. Его заслуги бесспорны. Он первым разработал принципы организации и создания вычислительных машин с программным управлением, в т.ч. принцип изменения программы вычислений в зависимости от их результатов. Кроме того, большой интерес вызвал и язык машины Бэббиджа, а именно разделение команд на команды пересылки и функциональные, возможность считывания информации, не допуская ее разрушения, и считывания с очисткой запоминающих данных регистра, что все еще представляет интерес для разработчиков современных ЭВМ, и др. Основные идеи, заключенные в конструкции аналитической машины Ч. Бэббиджа, были реализованы значительно позднее. [2]

С аналитической машиной Ч. Бэббиджа связано и зарождение программирования. Именно для нее создавались первые в мире программы. А первой программисткой была леди А. Лавлейс — дочь известного английского поэта Байрона. Она не только производила вычисления на машине Ч. Бэббиджа, но и заложила основы теоретического программирования, написав первый учебник по этому предмету.

Важное теоретическое значение для последующего развития вычислительной техники имела в это время работа Дж. К. Максвелла «Динамическая теория поля» (1864—1865 гг.). В ней давалось точное определение электромагнитного поля. Вскоре Максвелл завершил создание электродинамической картины мира.

Началась эра мировой электродинамики, породившая новый период в развитии вычислительной техники.

1.3. Электромеханический этап развития вычислительной техники

Электромеханический период был связан с применением электроэнергии в конструкциях счетных механизмов.

Машины электромеханического принципа действия характеризуются наличием электроаппаратуры, посредством которой работают все их механизмы. Разновидностью таких машин явились электромагнитные машины, в т.ч. релейные. В электромеханических машинах, как и в механических, основными физическими элементами были рычаги, колеса, валики, шестерен, а в релейных —электромагниты, реле, контактные устройства и т.д.

Электрический ток стал применяться также для расшифровки информации, нанесенной на перфокарты, в машине, построенной в 1890 г. американским инженером, сыном немецкого эмигранта Г. Холлеритом (1860—1929 гг.). Им же была предложена и форма перфокарты. Она соответствовала размеру однодолларовой банкноты, находившейся в обращении в 1890 г., и равнялась 187 мм * 83 мм. Работая в бюро по переписи населения, Холлерит использовал свою машину для обработки материалов массовых переписей. В 1896 г. он основал фирму по выпуску перфокарт и вычислительных (перфорационных) машин, которая позднее была преобразована в фирму IBM. Начало XX в. было отмечено бурным развитием электротехники. Немалый вклад в нее внесли ученые США (Д. Пауэрс сконструировал автоматический карточный перфоратор; В. Буш — дифференциальный анализатор, т.е. первую аналоговую вычислительную машину, способную моделировать системы дифференциальных уровней; Д. Штибиц — машину, основанную на двоичной системе счисления, и др.), Германии (К. Зюс, независимо от Д. Штибица, создал такую же машину; К. Цуге — универсальную цифровую вычислительную машину с программным управлением, и др.), России (А.Н.Крылов построил первый в мире дифференциальный анализатор непрерывного действия). [11]

В это же время появились выполненные Г.Эдисоном описание явления электронной эмиссии и А Тьюрингом — схемы абстрактной машины, а также разработанные К.Шенноном основные положения алгебры высказываний. Начинался новый период в истории вычислительной техники — электронный.

Электронный период был ознаменован, прежде всего, созданием в 1946 г. первой в мире ЭВМ «Эниак» (Electronics Numerical Integrator and Computer)'. Ее построили ученые Пенсильванского университета (США). Она весила 30 т., занимала площадь, равную гаражу на два автомобиля, состояла из 18 тыс. вакуумных трубок, 1,5 тысячи реле и стоила по ценам того времени почти 2,8 млн. долларов. За одну секунду машина выполняла более 300 умножений многозначных чисел или 5,000 сложений. Эниак показала большие возможности, хотя и была громоздкой, этаким «монстром с непонятным характером», по сообщениям американской печати, и потребляла мощность в 150 квт, достаточную для работы нескольких сотен современных компактных компьютеров. Ныне машина Эниак находится в одном из музеев США.

Анализ сильных и слабых сторон Эниак позволил американскому математику Дж. фон Нейману сформулировать основные принципы ЭВМ:

- использование двоичной системы,

- иерархическая организация памяти,

- наличие арифметического устройства на основе схем, реализующих операцию сложения;

- хранение программы, как и чисел, в памяти машины. [10]

«Компьютерная революция» в мире и поколения ПК. Появление Эниак отвечало потребностям растущей информатизации общества. Имеется в виду, прежде всего, увеличение темпов роста общей суммы знаний. Если до XIX в. она удваивалась каждые 50 лет, то с середины XX в. — каждые 5 лет, а после 1990 г. — на протяжении года;

Далее, это абсолютный и относительный рост численности специалистов, занятых сбором, обработкой и передачей информации. Если в 1870 г., когда был уже известен проект машины И. Бэббиджа, они составляли менее 5% трудоспособного населения США, то в 40-х гг. XX в. — около 30%.

Изучение функционирования электронных вычислительных средств, наряду с достижениями математики, информатики и физиологии нервной деятельности, в условиях растущих потребностей информационного обслуживания общества привели к возникновению кибернетики — науки об управлении в технических устройствах, живых организмах и человеческих организациях. Ее основные идеи и принципы были сформулированы в работе американского математика Н. Винера «Кибернетика или управление и связь в животном и машине», вышедшей в 1948 г.3.

Все это предопределило «компьютерную революцию» в мире. Росло не только количество ЭВМ (только в США в 1954 г. их насчитывалось 100, в 1974 — 215 тыс., в 1994 — более 30 млн.), но и заметно изменялись их качественные характеристики: увеличивались быстрота действия и объем оперативной памяти, повышалась степень интеграции элементов, улучшались внешние устройства и архитектура ЭВМ. совершенствовались методы их использования. Происходила смена поколений ЭВМ— совокупности их типов и моделей, созданных на основе одних и тех же научных и технических принципов. [5]

Машины первого поколения (вторая половина 40-х — середина 50-х гг.), работавшие на электронных лампах, были очень больших размеров и могли выполнять небольшое количество элементарных операций. В бывшем СССР — это ЭВМ, созданные под руководством академика С. А. Лебедева, и прежде всего БЭСМ-1 — самая быстродействующая в то время машина в Европе; в Беларуси, на Минском заводе ЭВМ им. Г.К. Орджоникидзе, — серийная Минск-22 и др. Основными пользователями первых ЭВМ были инженеры-программисты, занимавшиеся сложными расчетами, а также ученые, работавшие в различных областях физики, и др. Программу выполнения действий и данные пробивали вручную на перфоленте или перфокартах, посредством которых эти сведения вводились в ЭВМ. Затем производили «отладку», в процессе которой выявлялись ошибки и перебивались перфокарты. Этот процесс тянулся неделями и месяцами. Когда все было выверено, машина за несколько минут выдавала результат счета.

Машины второго поколения (конец 50-х — первая половина 60-х гг.), работавшие на транзисторах, были меньших размеров, более надежны в работе и могли выполнять до миллиона операций в секунду. Среди них — СТРЕЧ (США), АТЛАС (Англия), БЭСМ-6 (Россия); «Минск-32» [9]

(Беларусь) и др. БЭСМ-6 поставлялась на экспорт и оказалась «долгожительницей». Корректировку и выполнение программ на них производили операторы ЭВМ. Машины третьего поколения (вторая половина 60-х — 70-е гг.) уже были собраны на интегральных схемах. Это машины IBM-360 (фирмы International Business Mashine Corporation, США), а среди отечественных — серии ЕС (единой системы). Их мощность позволяли решать не только вычислительные, но и экономические задачи, когда приходилось вводить и выводить огромные объемы данных. Только на этих машинах стало возможным эффективно обрабатывать и нечисловую информацию, т.е. вести поиск, работать в режиме «вопрос-ответ», реализующем человеко-машинный диалог. Многопрограммный режим работы в сочетании с режимом разделения времени обеспечил взаимодействие таких машин с автоматизированными классами, оснащенными алфавитно-цифровыми дисплеями. А поскольку за различными дисплеями могли решаться различные задачи, программисты вновь получили доступ к машинам.

Машины четвертого поколения (с 80-х гг.) в качестве элементной базы имели большие и сверхбольшие интегральные схемы (ILLIAC-4, ЕС-1060, 1065; «Эльбрус»-1,2 и др.). Их рекордная продуктивность (у ILLIAC-4 до 200 млн. операций в сек.) обеспечивала решение целого круга больших задач. ЭВМ стали объединяться в многомашинные комплексы и сети с использованием для этой цели телефонной кабельной и спутниковой связи. Тем самым пользователь получил доступ к различной информации большого объема.

С другой стороны, успехи микроэлектроники привели к «новой революции» — микрокомпьютерной. Появились персональные компьютеры (ПК) — небольшие по размерам универсальные ЭВМ, предназначенные для индивидуального пользования и, в ряде случаев, не уступающие по своим характеристикам большим ЭВМ. [7]

Отцом микроЭВМ по праву считается американский инженер С. Джобс. Свою первую машину он построил вместе с С. Возняком в 1977 г. Она строилась в гараже на средства, вырученные Джобсом от продажи своего личного автомобиля «Фольксваген».

Профессиональная карьера С. Джобса началась с момента основания им фирмы APPLE. Сразу же возникли и непредвиденные проблемы. Обнаружилось, что такое же название и очень похожий фирменный знак имеет рок-группа «Битлз». Возникла путаница, приведшая к судебным разбирательствам. Хотя они и стали неотъемлемой частью жизни Джобса, ему все же сопутствовала удача. Популярность разработанных его фирмой микрокомпьютеров Apple — Macintosh и Lisa — с каждым годом росла, и в первую очередь среди студентов, преподавателей и научных сотрудников американских университетов.

И все же начало эпохи персональных компьютеров связано фирмой IBM. В 1981 г. она выпустила свой первый компьютер ЮМ РС (Personal Computer — персональный компьютер). Затем стала выпускать более современную модель на основе микропроцессора Intel 808i которая была названа ЮМ PC XT (буквы XT взяты из слова еХТга). 1984 г. она выпустила новую модель на основе Intel 80286 — IBM-28( которая стала называться ЮМ PC AT (Advanced Technology — передовая технология). IBM AT, хотя и была совместима аппаратно и программно с IBM XT, превосходила последнюю по производительности более чем в 10 раз и была способна хранить значительно больший объем информации. [4]

Вскоре на рынке появились компьютеры, совместимые с IBM AT, но с торговой маркой других фирм. Среди них оказались и отечественные ПК, в т.ч. ЕС-1840. 1841. 1842, 1849 и др. Во второй половине 80-х гг. были выпущены новые модели:

IBM-386, способная реализовать сложные программы автоматизированного проектирования и искусственного интеллекта; PS/2 (Personal Sistem/2), аналогичная XT и AT; IBM-486, производительность которой была в 2-3 раза больше, чем у IBM-386. В 1994 г. появился Pentium (IBM-586).

Благодаря ему в Лондоне наконец-то удалось обыграть чемпиона мира по шахматам Гари Каспарова. А на горизонте уже предвиделись новые «гуманизированные» компьютеры — не просто более мощные, а и более компактные, удобные и безопасные.

На пути к пятому поколению происходит поиск ЭВМ с высоким показателем отношения производительности машин к их себестоимости. При этом немалые надежды возлагаются на микроэлектронику с большой степенью интеграции и динамическую топографию.

Разрабатываются «биокомпьютеры», реализующие принципы обработки и хранения информации, присущие живым организмам, «нейроком-пьютеры» — системы нечисловой информационно-логической обработки, различные ассоциативные запоминающие устройства. Мощная волна «микрокомпьютерной» революции приводит к быстрому решению и этих задач.

Глава 2. Современный этап развития вычислительной техники

2.1. Особенности развития вычислительной техники в современное время

Молекулярные компьютеры – вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно органических). В молекулярных компьютерах используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве. Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Ученые фирмы Hewlett-Packard и Калифорнийского университета (UCLA) доказали принципиальную возможность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана. Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер будет в сотни миллиардов раз экономичнее современных микропроцессоров. [8]

ДНК-компьютер ДНК-компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК (рис. 136). Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в информатике как машина Тьюринга. Особое место принадлежит ДНК-процессорам.181 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 полу- проводниковыми технологиями.

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 под- считано, что для решения задачи обхода не 7 пунктов, а около 200, масса количества ДНК, необходимого для представления всех возможных решений, превысит массу нашей планеты. Ученые Колумбийского унивеситета 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 (

ДНК-вентили компьютера MAYA II в пробирках182 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 ми- нут, но зато никогда не проигрывает. MAYA-I, созданный ранее, умеет играть только в простые крестики-нолики.

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]

Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры Нейрокомпьютеры – это компьютеры, которые состоят из большого числа параллельно работающих простых вычислительных элементов (нейронов). Элементы связаны между собой, образуя нейронную сеть. Они выполняют единообразные вычисли- тельные действия и не требуют внешнего управления. Большое число параллельно работающих вычислительных элементов обеспечивают высокое быстродействие. Архитектура нейрокомпьютеров иная, чем у обычных вы- числительных машин. Микросхемы близки по строению нейронным сетям человеческого мозга. Именно отсюда и пошло название. Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории перцептрона – искусственной нейронной сети, способной обучаться. Первые перцептроны были способны распознавать не- которые буквы латинского алфавита. Впоследствии модель перцептрона была значительно усовершенствована. Автором этих идей был американский нейрофизиолог Ф. Розенблат.

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. 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 об- работки составляет 1,2 млрд соединений в секунду и содержит 64 нейрона. НейроБИС фирмы Hitachi позволяет реализовать схему, содержащую до 576 нейронов. 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 раз- работки новых алгоритмов и решения большого числа прикладных задач методами нейроматематики. Однако наибольший интерес представляют специализированные нейрокомпьютеры, непосредственно реализующие принципы нейронной сети

Квантовый компьютер – вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов использует при работе квантово-механические эффекты. Основоположником теории квантовых вычислений считается нобелевский лауреат, один из создателей квантовой электро- динамики Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института. В 1958 г., моделируя на компьютере квантовые процессы, он понял, что для решения квантовых задач объем памяти классического компьютера совершенно недостаточен. Р. Фейнман высказал мысль о том, что квантовые задачи должен решать квантовый компьютер: природе задачи должен соответствовать способ ее решения. [12]

Шор показал, что если классический компьютер для нахождения множителей числа из 1000 двоичных знаков должен сделать 21000 операций, то квантовому компьютеру для этого понадобится всего 10003 операций. В основе квантовых вычислений лежит атом – мельчайшая единица вещества. Квантовые вычисления принципиально отличаются от традиционных, так как на атомном уровне в силу вступают законы квантовой физики. Один из них – закон суперпозиции: квант может находиться в двух состояниях одновременно. 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. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кванта электромагнитной энергии – фотона. При излучении фотона осуществляется обратный переход.

В настоящее время идет дальнейшее совершенствование технологии производства микросхем и вычислительной техники. Продолжается дальнейшее развитие архитектур компьютеров. Интенсивные разработки ведутся по многим направлениям. Особенностью этих архитектур является то, что все они основаны не на кремниевых технологиях. К технологиям, способным значительно увеличивать производительность компьютеров, следует отнести:  создание молекулярных компьютеров;  создание биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);  разработку квантовых компьютеров;  разработку оптических компьютеров.

В конце XX в. начали бурно развиваться такие направления науки и техники, как волоконно-оптическая связь, полупроводниковая оптоэлектроника, лазерная техника. Поэтому XXI в. называют веком оптических технологий. [10]

Возможности использования света в обработке информации практически безграничны. Если использовать свет для передачи данных между чипами или логическими элементами, не будет существовать проблем со временем задержки на межсоединениях, так как передача информации будет происходить действительно со скоростью света. Появились и успешно работают оптоволоконные линии связи. Остается создать устройство обработки информации с использованием световых потоков. Способность света параллельно распространяться в пространстве дает возможность создавать параллельные устройства обработки. Это позволило бы на много порядков ускорить быстродействие ЭВМ. Чтобы использовать уникальные возможности оптики для обработки информации, необходимо разработать подходящие технологии создания устройств генерации, детектирования оптических сигналов, а также оптических логических элементов, управляемых светом. Элементарная оптическая ячейка должна потреблять энергии меньше, чем элемент микрочипа, быть интегрируемой в большие массивы и иметь возможность связи с большим числом подобных элементов.

2.2. Перспективы развития искусственного интеллекта

Отвечая в начале 2016 года на вопрос касательно планов Google на искусственный интеллект, Сундар Пичаи отметил, что компания делает большие успехи в этом направлении. При этом он уклонился от обозначения точных временных сроков, упомянув лишь о намерении постепенно наделить интеллектом все продукты компании.

Наделив машины полноценным разумом человека, Google хочет, чтобы они не только накапливали знания, но и могли самостоятельно делать новые открытия. По мнению руководства компании, такие устройства совсем скоро заменят как компьютеры, так и мобильные устройства.

Глядя в будущее, следующим большим шагом станет постепенное «угасание» понятия «устройство». Со временем сам компьютер, не важно в какой форме он будет представлен, станет вашим персональным умным помощником, решающим все проблемы. От Мобильного Мира мы перейдем к Эре Искусственного Интеллекта.

Многие эксперты сходятся во мнении, что, сделав сейчас большой акцент на искусственный интеллект, Google в будущем сможет на протяжении долгого времени занимать лидирующие позиций в этой отрасли.

Делая акцент на искусственном интеллекте, Google демонстрирует нам свою ориентацию на будущее. Позиционируя себя основным двигателем прогресса, компания уже давно проводит исследования в области искусственного интеллекта и машинного обучения, поэтому меня нисколько не удивит, если она сможет продвигать свои технологии всё дальше и дальше. Сегодня все от неё этого ждут, поскольку Google явно показывает нам свои намерения стать лидером рынка. [7]

Однако не стоит забывать, что многие технологии Google пока не обладают по-настоящему высокоразвитым интеллектом, и некоторые из имеющихся разработок трудно назвать оригинальными. Так, Goggle Home похож на продукт Echo от компании Amazon, а мессенджеру Allo необходимо будет выдержать конкуренцию с аналогичными продуктами, выпускаемыми Facebook и Microsoft. Учитывая это, Google предстоит проделать еще достаточно большую работу, чтобы закрепить свои позиции на рынке искусственного интеллекта.

Заключение

На развитие вычислительной техники оказывают влияние два существенных фактора, определяемые научно-техническим прогрессом. Во-первых, требуется решение ряда задач, которые по сложности не могут быть реализованы современными средствами вычислительной техники в заданное время, либо само их решение на созданных средствах должно носить качественно новый характер. Во-вторых, совершенствование микроэлектронной элементной базы, технологические возможности которой предъявляют свои требования к структурным, архитектурным, схемным решениям и накладывают существенные ограничения на создаваемые вычислительные машины.

На современном этапе первый фактор требует средства вычислительной техники, которые позволили бы решать задачи, приведенные в следующем списке:

- поиск новых видов энергии, изучение физики плазмы, решение задач, связанных с освоением высоко - и низкотемпературной реакции ядерного синтеза, исследование квантовой хромодинамики, гидро- и газодинамики (нелинейный анализ, решение уравнения Власова);

- поиск новых материалов, в том числе, обладающих сверхпроводимостью, выдерживающих высокий уровень радиации;

- расчет сложных конструкций в машиностроении при создании: летательных аппаратов (решение задач аэродинамики), крупных энергетических установок, средств обработки данных (расчет сложных схем в микроэлектронике), САПР (проблема проектирования сложных систем и их верификация, задачи топологии);

- изучение физики Земли и ее климата, предсказание погоды, поиск новых месторождений нефти, газа, полезных ископаемых (решение систем линейных уравнений большой размерности);

- изучение строения живой материи, в том числе биологии человека, создание генома человека, разработка фармацевтических препаратов (решение уравнений Белоусова-Жебатинского, интегрального уравнения Вольтера);

- освоение космоса, изучение природных космических объектов (решение систем линейных уравнений большой размерности);

- решение задачи реального времени (задачи специального назначения);

организация обработки баз данных, экспертных оценок сложных объектов.

В современном вычислительном машиностроении, по мнению подавляющего большинства разработчиков, для создания мощных ВС, способных решать приведенные классы задач, имеется всего лишь один путь – это линейное наращивание процессоров. Однако уже первые попытки освоения его привели к естественной проблеме связи (коммутации) процессоров во время реализации технологического процесса решения больших и сложных задач. Для обеспечения универсальности вычислительной системы требуется коммутация каждого процессора с каждым, а во избежание снижения производительности вычислительной системы необходима реализация непосредственных (прямых) связей между ними. Создание требуемой коммутирующей системы составляет известную техническую проблему. Попытки отказаться от коммутации прямыми связями приводят, с одной стороны, к возникновению конфликтных ситуаций между процессорами во время выполнения вычислительного процесса, и, с другой стороны, препятствует достижению требуемой производительности ВС. В данном случае на универсальном наборе задач наблюдается нелинейность роста производительности в зависимости от наращивания количества процессоров системы.

Список литературы

1. Грошев А.С. Информатика [Электронный ресурс]: учеб. для вузов. 2014 г. – Режим доступа: http://narfu.ru/iikt/Structure/ki/А.С.Грошев.Информатика.Учебник.2014.pdf

2. Грицевский, П.М.; Мамченко, А.Е.; Степенский, Б.М. Основы автоматики, импульсной и вычислительной техники; Советское радио - М., 2016. - 392 c.

3. Гуткин, М; Зайчик, Б; Фаградянц, И и др. Англо - русский словарь по вычислительной технике; ЭТС и Polyglossum - М., 2016. - 496 c.

4. Демиденко Н. Д. Моделирование и вычислительные технологии распределительных систем / Н. Д. Демиденко, В. А. Кулагин, Ю. И. Шокин. – Новосибирск : Наука, 2012. – 424 с.

5. Затонский А. В.Информационные технологии: разработка информационных моделей и систем : учеб. пособие / А. В. Затонский. – Москва : РИОР : ИНФРА-М, 2014. – 344 с.

6. Карпенков С. Х. Современные средства информационных технологий : учебное пособие / С. Х. Карпенков. – 2-е изд., испр.и доп. – Москва : КНОРУС, 2016 – 400 с.

7. Мельников В. П. Информационное обеспечение систем управления : учебник для студ. высш. учеб. заведений / В. П. Мельников. – Москва : Издательский центр «Академия», 2010. – 336 с.

8. Наследов А. IBM SPSS Statistics 20 и AMOS : профессиональный статичтический анализ данных / А. Наследов. – Санкт-Петербург : Питер, 2013. – 416 с. : ил.

9. Пухальский, Геннадий Иванович. Проектирование цифровых устройств: учебное пособие для студентов вузов. / Г. И. Пухальский, Т. Я. Новосельцева. - СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2016. - 896 с.: ил.

10. Свиридова, М.Ю. Информационные технологии в офисе. Практические упражнения: Учебное пособие для нач. проф. образования / М.Ю. Свиридова. - М.: ИЦ Академия, 2015. - 320 c.

11. Стрыгин, В.В.; Щарев, Л.С. Основы вычислительной техники и программирования; Высшая школа - М., 2016. - 359 c.

12. Сырецкий Г. А. Информатика. Фундаментальный курс. Том 1. Основы информационной и вычислительной техники; БХВ-Петербург - М., 2014. - 832 c.

13. Хлебников А. А. Информационные технологии / А. А. Хлебников. – Москва : КНОРУС, 2014. – 472 с. –

14. Хэндлер В. Новая архитектура ЭВМ – как увеличить параллелизм, не увеличивая сложности // Системы параллельной обработки, Под ред. Д. Ивенса. – М.: Мир, 2015. – 412с.