Компьютер

КОМПЬЮТЕР (английский computer, от латинского computo - считать, вычислять), устройство, предназначенное для автоматизации процессов обработки информации, в котором аппаратура работает под управлением определяющих её действия программ.

Историческая справка. Впервые термин «компьютер» употребил английский врач и учёный-энциклопедист Т. Браун в 1646 году, им он назвал людей, профессионально занимавшихся вычислениями. В этом значении термин использовался в Великобритании и США до середины 20 века; простейшие механические счётные устройства также иногда называли компьютером (чаще - калькуляторами). С начала 1950-х годов для решения вычислительных задач стали широко применять электронные вычислительные машины, которые в английском языке также назвали компьютером; со временем термин утвердился в большинстве других языков, в том числе в русском.

В 1834 году Ч. Бэббидж впервые выдвинул идею создания механической вычислительной машины, основные свойства которой предвосхитили устройство современных компьютеров. Так, его «аналитическая машина» должна была состоять из устройства управления, арифметические устройства и памяти для хранения чисел и работать под управлением программы (в 1842 леди А. Лавлейс написала несколько программ для «аналитической машины»). Машина Бэббиджа не была построена, его идея реализовалась только в конце 1930-х - середине 1940-х годов, когда были созданы несколько релейных вычислительных машин с программным управлением (Z-1 и Z-З К. Цузе, Mark-I Г. Айкена). Обобщая опыт создания ENIAC - первой вычислительной машины, построенной с использованием электронных ламп, - электронной вычислительной машины (ЭВМ), Дж. фон Нейман в 1945 году сформулировал основные принципы построения и функционирования ЭВМ - так называемые принципы фон Неймана (однако фактически они явились результатом работы группы разработчиков ENIAC, в первую очередь Дж. У. Мокли и Дж. П. Эккерта; эти же принципы предложены независимо Цузе и С. А. Лебедевым). Согласно им, вычислительная машина должна работать в двоичной системе счисления и быть электронной; включать устройство управления, организующее выполнение программ, и арифметическое устройство, выполняющее определяемые программой арифметические и логические операции (современный процессор), а также устройства ввода-вывода и памяти. Важнейшим принципом фон Неймана является хранение машинной программы в запоминающем устройстве (памяти) вместе с обрабатываемыми данными, поскольку это позволило изменять программу в ходе её выполнения.

К началу 21 века сменилось несколько поколений компьютеров (смотри Вычислительная машина), современные компьютеры  значительно отличаются от компьютеров первого поколения как своей архитектурой, так и элементной базой. Несмотря на то, что некоторые из положений Дж. фон Неймана не являются принципиальными (так, выбор двоичной системы определялся скорее элементной базой, существовавшей во времена фон Неймана; компьютер  может быть построен и с использованием других систем счисления, например уравновешенной троичной - «Сетунь» Н. П. Брусенцова), на них базировались компьютеры первого и второго поколений. Однако со временем выявилась ограниченность так называемой фоннеймановской схемы вычислений, согласно которой процессор одну за другой выбирает из памяти команды и считывает операнды, а затем выполняет команду и записывает результат в память. Процесс вычисления, таким образом, сводится к последовательным (пошаговым) изменениям состояния памяти. Поскольку, благодаря развитию полупроводниковых технологий, быстродействие центрального процессора всегда росло быстрее, чем быстродействие оперативной памяти, это устанавливало естественное ограничение на рост производительности компьютеров. Для преодоления этого противоречия (начиная со второго поколения) в компьютерах стали реализовывать различные архитектурные решения: совмещение во времени работы центрального процессора и устройств ввода-вывода, буферизация данных, расслоение памяти (разбиение на модули, к которым можно обращаться одновременно), память на быстрых регистрах, многоуровневая кэш память и др. Данные решения позволяют сбалансировать работу процессора и памяти, однако не снимают главное ограничение фоннеймановской архитектуры - выполнение в каждый момент времени только одной команды. Другие архитектурные решения были направлены на увеличение параллелизма в выполнении команд: совмещение во времени обработки процессором нескольких команд одной программы (конвейер), создание многопроцессорных вычислительных систем, выполняющих одновременно несколько программ (многопроцессорные вычислительные комплексы) или одну и ту же команду, но над разными данными (матричные вычислительные системы) и т. п.

Важным событием в теоретическом осмыслении этой проблемы стала статья Дж. Бэкуса (США, 1978) «Можно ли освободить программирование от фоннеймановского стиля?», в которой впервые была сформулирована идея тесной связи традиционных языков программирования (фортран и др.) и фоннеймановской архитектуры. Согласно Бэкусу, для преодоления того, что он назвал «бутылочным горлом» (bottleneck) традиционной архитектуры (необходимость выборки команд из памяти для их выполнения; выполнение одной команды в один момент времени; необходимость выборки данных для процессора даже в том случае, когда они не требуют обработки), следует перейти к новым парадигмам программирования (в первую очередь функциональной) и поддерживающим их архитектурам компьютеров. Статья Бэкуса стимулировала не только исследования в области программирования, но и работы по созданию компьютеров с архитектурой, в той или иной степени отличающейся от фоннеймановской. Полный отказ от принципов фоннеймановской архитектуры реализован в компьютерах с так называемой потоковой (dataflow) архитектурой. Ход вычислительного процесса в них определяется не порядком следования команд в программе, а динамически формирующимся потоком данных. Такой подход позволяет «распараллелить» вычисления на уровне команд, циклов, процедур, то есть обеспечить низкоуровневый параллелизм. Первые работы в области потоковых вычислений появились в конце 1960-х годов (Д. Адамс, 1968, и др.). В 1970-х - начале 1990-х годов они проводились особенно интенсивно: было построено множество макетов потоковых компьютеров, предложены потоковые языки программирования - Id (1978), SISAL (1983) и др., а также реализованы первые коммерческие потоковые компьютеры. Однако при реализации чисто потоковой архитектуры возникает множество трудноразрешимых технических и технологических проблем (необходимость построения ассоциативной памяти большого объёма, сложных коммутаторов и др.). Поэтому многие современные параллельные компьютеры сочетают в своей архитектуре элементы фоннеймановской и потоковой моделей вычислений.

Классификация и принцип действия. По принципу действия и способу представления обрабатываемой информации компьютеры делятся на аналоговые (обрабатываемая информация представлена в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных физическими величинами, например, силой электрического тока, напряжением) и цифровые (информация представлена в виде набора дискретных значений какой-либо физической величины). По назначению различают компьютеры универсальные и специализированные (управляющие, бортовые, серверы, рабочие станции и др.). В зависимости от тех или иных характеристик [производительности (определяемой тактовой частотой работы устройств компьютеров, пропускной способностью шин процессора и памяти и др.), ёмкости оперативной памяти, габаритов и др.] выделяют суперкомпьютеры (супер-ЭВМ), большие компьютеры (мэйнфреймы - высокопроизводительные компьютеры, предназначенные, как правило, для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости), миникомпьютеры (в том числе персональный компьютер), микрокомпьютеры. Такая классификация носит несколько условный характер, поскольку подчас трудно провести границу между суперкомпьютерами и мэйнфреймами. Так, представление о том, какими параметрами должен обладать суперкомпьютер, меняется со временем. Если компьютер  CDC-6600 (1964), часто называемый первым суперкомпьютером, обладал производительностью около 10 млн. операций/с, то самый быстродействующий в мире компьютер  (июнь 2008) - Roadrunner (построенный компанией IBM для Министерства энергетики США и установленный в Лос-Аламосской национальной лаборатории) впервые превысил рубеж 1 петафлопс (1,026 петафлопс), то есть 1 квадриллион (1000 триллионов) операций/с (с плавающей запятой). Понятие микрокомпьютера было введено (в начале 1970-х годов), чтобы выделить класс вычислительных машин, у которых центральный процессор выполнен в виде единого устройства на интегральной схеме (микропроцессор); в начале 21 века в виде микропроцессоров реализованы центральные процессоры некоторых мэйнфреймов и суперкомпьютеров. Однако данная классификация, тем не менее, позволяет ориентироваться в многообразии компьютеров.

Традиционно компьютеры отождествляют с ЭВМ, однако компьютеры могут быть не только электронными - известны электромеханические (релейные) компьютеры, квантовые компьютеры, оптические компьютеры (исследованы возможности построения из оптических элементов устройств памяти и коммутаторов; создание оптических логических элементов представляется менее перспективным). В начале 21 века проводятся интенсивные исследования в области создания биологических компьютеров, основанных на взаимодействии живых клеток, биомолекул, вирусов и т.п. В 2006 году в Колумбийском университете (США) был продемонстрирован прототип простейшего ДНК-компьютера MAYA-II (Molecular Array of YES and AND logic gates, молекулярная матрица логических элементов «да», «нет» и операции «и»), успешно играющего в крестики-нолики против человека.

Применение. Благодаря быстрому росту количественных характеристик аппаратуры компьютеров (степень миниатюризации, быстродействие и др.) и постоянному снижению её стоимости к началу 1990-х годов компьютер  (в первую очередь ПК) стал обязательным атрибутом не только рабочих мест различных специалистов, но и быта. Это вызвало колоссальный рост рынка программного обеспечения, в том числе прикладных программ, ориентированных на неквалифицированного пользователя, а доступность программ самого разного назначения, в свою очередь, стимулировала дальнейший спрос на компьютеры. Вероятно, поэтому под компьютером всё чаще подразумевают именно персональный компьютер. Наряду с ними широкое распространение имеют портативные компьютеры (ноутбуки), карманные компьютеры, рабочие станции, серверы и др. Простейшими компьютерами фактически являются игровые приставки для видеоигр, а также встроенные и мобильные вычислительные устройства, управляющие работой различных бытовых приборов, мобильных телефонов, телевизоров, фотоаппаратов и т.д.

В конце 20 - начале 21 века компьютер  превратился в важнейший социальный и культурный феномен. Производство, связь, банковское дело, наука, образование, культура, искусство, средства массовой информации, быт, благодаря внедрению компьютерных технологий (в том числе компьютерных сетей), претерпели радикальные изменения. Компьютер  стал значимым фактором трансформации социальных, в том числе трудовых, отношений. Компьютер  играет определяющую роль в обеспечении всеобщей доступности образования (дистанционные и другие формы обучения), научной информации (библиотеки JSTOR и др. через Интернет предоставляют доступ к оцифрованным выпускам научных журналов начиная с 17 века), произведений художественной, философской и т. п. литературы (электронные библиотеки, среди которых особо выделяются масштабами проекты Gutenberg, Internet Archive, Google books и др.), художественных ценностей (виртуальные музеи, виртуальные экскурсии и др.). Использование компьютеров стимулировало появление новых художественных технологий (компьютерная графика, компьютерная анимация, веб-дизайн и др.).

Лит.: Полунов Ю. Л. От абака до компьютера: судьбы людей и машин. М., 2004-2005. Т. 1-2; Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 5-е изд. СПб. и др., 2007.