ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА 


ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА - 1) область техники, объединяющая средства автоматизации математических вычислений и обработки информации в различных областях человеческой деятельности; 2) наука о принципах построения, действия и проектирования этих средств.

По признаку физической формы представления обрабатываемой информации различают аналоговые, цифровые и аналого-цифровые (гибридные) средства Вычислительной техники. В аналоговых средствах Вычислительной техники обработке подвергаются физические величины (токи, напряжения и другие), которые в определенном непрерывном диапазоне моделируют математические величины. В цифровых средствах Вычислительной техники обработке подвергаются цифровые (дискретные) коды математических величин. В аналого-цифровых (гибридных) средствах Вычислительной техники применяются обе указанные формы представления величин.

По степени универсальности в обработке информации средства Вычислительной техники подразделяются на машины общего назначения (универсальные) и специализированные. Первые служат для решения широкого класса задач, вторые - для решения узкого класса или даже единственной задачи. По степени автоматизации обработки информации различают вычислительные инструменты (линейки, счеты и тому подобные), приборы (планиметры, арифмометры, корреляторы и тому подобные) и машины. На современном этапе развития Вычислительной техники широко пользуются вычислительного машинами и их комплексами.

Простейшим примером аналогового вычислительного инструмента является логарифмическая линейка, изобретенная еще в конце 15 столетия. Польский математик Б. Абданк-Абаканович (1852-1900) в 1878 изобрел аналоговый интегратор, называемый интеграфом. Идеи Абданк-Абакановича были положены в основу первой вычислительной машины для решения дифференциальных уравнений, построенной в 1904 русским математиком и механиком А.Н. Крыловым (1863-1945) для решения задач кораблестроения. Во втором десятилетии 20 столетия разработан метод моделирования, на основе которого в последующем развились вычислительные устройства, использующие электропроводящую бумагу.

Начало работ по аналоговым вычислительным машинам в СССР относится к 3-му десятилетию 20 столетия, когда советский математик С. А. Гершгорин заложил основы построения сеточных электроинтеграторов для решения уравнений в частных производных. В 30-х годах советский ученый-электротехник С. А. Лебедев (1902-1974 гг.) разработал методику моделирования электросетей переменного тока и построил полуавтоматическую электрическую модель для их расчета, а затем появились работы советских электротехников А. А. Горева и В. А. Веникова (р. 1912) по физическому моделированию энергетических систем. В 40-х годах под руководством советского физика И. С. Брука разработан электромеханический дифференциальный анализатор, в 1945 под руководством советского электротехника Л. И. Гутенмахера были созданы электронные аналоговые машины с периодизацией решения. В этом же году под руководством С. А. Лебедева создана электронная аналоговая машина для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Аналоговые машины, основанные на операционных усилителях (наиболее близкие к современным аналоговым машинам) в СССР впервые созданы в 1949.

Основным достоинствами средств аналоговой вычислительной техники (по сравнению с цифровыми), обусловливающими их широкое применение для решения научно-технических задач и использование в системах автомат, управления техническими объектами и в системах моделирования непрерывных процессов, являются их простота, надежность и высокое быстродействие. Главные недостатки их - сравнительно малая точность получаемых решений и ограниченность круга решаемых задач.

Цифровые вычислительные средства развивались параллельно с аналоговыми. В 1642 французский физик Б. Паскаль (1623-1662) построил счетную механическую машину, выполнявшую операции сложения и вычитания. Позднее построено около 50 таких машин. В частности подобные счетные устройства разрабатывали  русский математик П. Л. Чебышев (1821-1894) и позднее русский инженер В. Т. Однер. "Колесо Однера" стало основой современных арифмометров. В дальнейшем на смену арифмометрам пришли настольные механические и электромеханические машины, а позднее - малые электронные цифровые машины. Наиболее близким прообразом современных цифровых вычислительных машин следует считать "аналитическую машину" английский. математика Ч. Бэббиджа (1833). Настольные счетные и счетно-аналитические машины уже в начале 19 столетии получают весьма широкое распространение.

В 1937-1944 под руководством американского ученого Г. Эйкена создана электромеханическая цифровая вычислительная машина "Mark-1". Революционным поворотом в развитии цифровой Вычислительной техники явилось создание электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) с программным управлением, являющихся основными техническими средствами кибернетики. Первая электронная быстродействующая ЦВМ "ЭНИАК" (построена в 1946 в США) содержала около 18 000 ламп и потребляла более 100 киловатт мощности электроэнергии. Машина работала в десятичной системе счисления. Сложение и вычитание производилось за 200 микросекунд, умножение - за 2800 микросекунд. Она предназначалась для решения дифференциальных уравнений в частных производных, а также некоторых других расчетов. В СССР в 1950 под руководством С. А. Лебедева в АН УССР была создана первая в континентальной Европе малая электронная счетная машина "МЭСМ", которую можно отнести к классу машин общего назначения (в отличие от "ЭНИАК", являвшейся специализированной). МЭСМ содержала около 2000 электронных ламп, работала по параллельно-последовательному принципу выполнения операций, имела быстродействующую память на ламповых регистрах и внешнюю память на магнитном барабане. Структура и основной схемы этой машины являлись классическими, они положены в основу серии отечественных быстродействующих машин "БЭСМ" (1952), "БЭСМ-2", "БЭСМ-4" и "БЭСМ-6", созданных также под руководством С. А. Лебедева. К первым ЦВМ широкого назначения в СССР относятся и машины "М-1" (1952), "Стрела" (1954), "Урал-1" (1957). В 50-е и в начале 60-х годов 20 столетия в СССР создан также ряд других ЦВМ широкого назначения ("М-2", "М-З" и "Киев"), серийные машины "М-20" и затем "М-220", семейства серийных машин "Урал", "Минск" и "Раздан", новые серийные модификации которых продолжают выпускать, и другие. В этот же период в Советском Союзе развертываются работы по созданию и применению цифровых управляющих вычислительных машин. Создаются машины "Днепр", "УМ1", "УМ1-НХ", "ВНИИЭМ", "Днепр-2" и другие. Позднее были разработаны более универсальные в применении агрегатноблочные средства вычислительной техники. Они создаются в виде набора вычислительных средств, средств связи с объектом и оператором и средств внутри- и внесистемной связи, позволяющих легко компоновать различные системы управления промышленного назначения. В 60-х годах создаются малые машины для инженерных расчетов ("Промiнь", "МИР" и "Наири"), отличающиеся простым внешним языком, ориентированным на решение инженерных задач со схемной реализацией трансляции и наличием удобных средств общения (взаимодействия) человека с машиной. Машины "МИР", кроме того, обладают развитой системой структурной интерпретации.

Развитие ЦВМ в целом идет по пути увеличения их надежности, производительности, объемов памяти, удобства общения человека с машиной и миниатюризации элементов для преобразования и хранения информации.

Производительность больших ЦВМ достигала в 60-х годах миллионов операций в секунду. Объем оперативного запоминающего устройства увеличился до сотен тысяч слов, а внешнего ЗУ - миллиардов слов. Машины оснащаются все более совершенными устройствами обмена информации с пользователями. Особую роль играет применение в ЦВМ интегральных схем, которые наряду с повышением качества средств Вычислительной техники позволяют также далеко продвинуть автоматизацию их проектирования и производства. Влияние элементной базы на развитие Вычислительной техники, особенно ЦВМ, было и является настолько определяющим, что в зависимости от типа применяемых элементов теперь различают "поколения" ЦВМ.

Важной вехой на пути развития средств Вычислительной техники явилось появление ЦВМ, рассчитанных на многопрограммную обработку информации, обеспечивающую одновременную работу машины по ряду программ и существенно увеличивающую ее полезную отдачу. Этапом развития ЦВМ в этом же направлении является создание развивающихся высокими темпами мультипроцессорных машин и систем.

Вместе с усовершенствованием структур ЦВМ происходит и развитие математического обеспечения ЦВМ, в частности создание эффективных систем программирования, основанных на универсальных, проблемноориентированных и специализированных алгоритмических языках, и операционных систем, эффективно организующих вычислительный процесс в целом, включая взаимодействие между пользователем и машиной. Развитие математического обеспечения в свою очередь оказывает сильное влияние на принципы построения машин, в структурах которых реализуются некоторые компоненты математического обеспечения, а это существенно повышает эффективность работы машины в целом, а также облегчает взаимодействие человека с машиной. Последнее приобретает весьма важное значение в условиях непосредственной эксплуатации ЦВМ пользователями различных специальностей, в особенности в режиме диалога человека с машиной.

Наряду с развитием средств цифровой Вычислительной техники происходит непрерывное расширение области их применения. Главные направления использования этих средств: решение математических, технических и логических задач, моделирование сложных систем, обработка данных измерений (получаемых при эксперименте и при управлении различными процессами), обработка экономико-статистических данных и поиск информации. Так, средства цифровой Вычислительной техники стали использоваться для научного эксперимента при управлении технологическими процессами и производством в целом, в проектных и конструкторских работах, в системах планово-эконом. характера, в информационно-справочных и обучающих системах, в военном деле и так далее. Развитие цифровой Вычислительной техники в значительной мере определяет научный, экономический и военный потенциалы страны. Эта роль Вычислительной техники на протяжении ближайших лет будет все возрастать.

К цифровым вычислительным средствам относят также цифровые дифференциальные анализаторы и цифровые интегрирующие машины. В них используется цифровое представление информации, но в качестве методов, с помощью которых реализуются вычисления, используются методы моделирования, характерные для средств аналоговой техники. Разработанные в 60-х годах 20 столетия, они получили применение в ряде специальных систем, например, в авиационных бортовых управляющих системах, системах аэрокосмического назначения и других.

Гибридные вычислительные средства появились в 50-х годах 20 столетия. Вначале их создавали путем объединения в едином вычислительном комплексе аналоговой и цифровой вычислительных машин. Современные гибридные вычислительные машины характеризуются глубоким взаимным проникновением цифровых и аналоговых схем и работой их в едином вычислительном процессе с целью использования преимуществ и цифровой, а аналоговой Вычислительной техники. При этом, как правило, аналоговые средства используются для собственно вычислений, а цифровые - для управления, а также переработки логической информации.

В связи с научно-технической революцией и связанным с ней колоссальным возрастанием потоков информации возникает объективная необходимость дальнейшего развития вычислительных средств, увеличения их производительности, приспособления их к различным областям науки и техники, облегчения взаимодействия человека с ЭВМ и автоматизации проектирования самих машин. Работы, связанные с решением этих вопросов, привели к появлению науки, названной вычислительная техника. Теория вычислительных средств окончательно не сформирована и развивается по линии теории цифровых, аналоговых и гибридных средств. В каждой из указанных теорий явственно проступают два целевых аспекта - научный поиск новых принципов построения и совершенствования средств и создание методики их проектирования. В связи же с сущностью средств Вычислительной техники, как автоматических средств переработки информации физическими способами, их общая теория имеет две стороны - конструктивно техническую и информационную. Первая базируется на традиционных дисциплинах - электронике, автоматике и других, вторая - на ряде разделов теоретической кибернетики - на теории алгоритмов, теории автоматов, теории кодирования и теории языков, на моделировании математическом и других и получает самостоятельное развитие как прикладная ветвь теории кибернетики.
В связи с большим удельным весом ЦВМ в Вычислительной техники, их значением как основных средств кибернетики (реализующих универсальные преобразования информации), логико-структурной и технической сложностью этих средств и задачами их развития, теория ЦВМ занимает особое место по объему охватывающего материала в теоретическом понятии термина "вычислительная техника". В США, Англии и других англоязычных странах это понятие обозначается термином "computer science" - наука о ЦВМ. Основополагающие работы в области теории ЦВМ в СССР выполнили С. А. Лебедев, В. М. Глушков (1923 - 1982 гг.) и другие, из ранних зарубежных работ можно назвать, например, труды американских ученых Г. Эйкена, Дж. фон Неймана и других. В теории ЦВМ выделяется ряд взаимосвязанных разделов - теория переработки информации в ЦВМ на всех уровнях этого процесса (относящихся к элементной структуре, алгоритмической структуре, архитектуре машины и систем машин), теория хранения информации в вычислительных машинах и теория взаимодействия человека с вычислительной машиной, содержащая, в частности, ряд вопросов математического обеспечения машин, связанных с организацией вычислительного процесса, с программированием и постановкой задач на машинах. Во всех этих разделах, подразделяемых в свою очередь на отдельные научные дисциплины, имеются оба указанных аспекта - и поиск, и проектирование. Проектирование в соответствии с его задачами обычно разделяют на системное, логическое проектирование ЦВМ и техническое проектирование ЦВМ. Эти виды проектирования соответственно означают определение параметров, логической структуры и конструкции проектируемого устройства любого ранга (как элемента, блока, функционального устройства и машипы в целом). Вместе с тем теорию проектирования ЦВМ делят на разделы, соответствующие этим рангам. В основе теории аналоговых вычислительных машин лежит понятие изоморфизма (возникшее при развитии математических представлений о природе и имеющее универсальный характер). Опираясь на него, развивалась теория электронного математического моделирования, являющаяся основой построения современных средств аналоговой вычислительной техники. Главной проблемой, возникающей при создании аналоговых машин для решения новых классов задач, является установление соответствующих аналогий, что представляет собой весьма трудную задачу. По-видимому, прогресс аналоговой техники будет связан с созданием квазианалоговых и гибридных вычислительных машин. Основы теории квазианалоговых вычислительных машин были заложены работами украинского ученого-электротехника Г. Е. Пухова (р. 1916). Квазианалоговая вычислительная машина для решения заданной задачи - это аналоговая вычислительная машина, решающая квазианалоговым путем такую вспомогательную задачу, решение которой при выполнении условий эквивалентности с точностью до постоянных множителей полностью или частично совпадает с решением заданной задачи. Для выполнения указанных условий эквивалентности квазианалоговая вычислительная машина, кроме квазианалога, содержит и специальное устройство для управления им. По теории гибридных вычислительных машин, находящейся в стадии становления, основополагающие работы в СССР выполнили Г. Е. Пухов, Б. Я. Коган и другие. Основные вопросы здесь сводятся к разработке структур гибридных вычислительных систем, выбору рационального соотношения между цифровой и аналоговой частями, автоматизации работы гибридных систем и разработке элементов и схем, а также к разработке математического обеспечения гибридных систем. Учитывая большое научное, народно-хозяйственное и оборонное значение средств Вычислительной техники в современных условиях, XXIII и XXIV съезды КПСС подчеркнули необходимость всемерного развития Вычислительной техники в СССР. В Директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971-1975 годы предусмотрено увеличить выпуск средств Вычислительной техники в 2,4 раза, в том числе ЭВМ в 2,6 раза, освоить серийное производство нового комплекса ЭВМ на базе интегральных схем. Эта задача решается в первую очередь рядом крупных научных и производственных организаций. Производится широкое внедрение в народное хозяйство автоматизированных систем управления с использованием средств Вычислительной техники. Все шире развертывается сеть вычислительных центров, призванных обеспечить эффективное практическое использование средств Вычислительной техники для построения материально-технической базы коммунизма.

Литература: Лебедев С. А., Мельников В. А. Общее описание БЭСМ и методика выполнения операций. М., 1959; Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов. М., 1962 [библиография с. 464—469]; Коган Б. Я. Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования. М., 1963 [библиография с. 494-505]; Малиновский Б. Н. Цифровые управляющие машины и автоматизация производства. М., 1963 [библиография с. 285—286]; Бруевич Н.Г., Доступов Б. Г. Основы теории счетно-решающих устройств. М., 1964; Анисимов Б. В., Четвериков В. Н. Основы теории и проектирования цифровых вычислительных машин. М., 1965 [библиография. с. 480]; Пухов Г. Е. Методы анализа и синтеза квазианалоговых электронных цепей. К., 1967 [библиография с. 560—564]; Голубев-Новожилов Ю. С. Многомашинные комплексы вычислительных средств. М., 1967 [библиография с. 402-415]; Глушков В.М. [и другие]. Вычислительные машины с развитыми системами интерпретации. К., 1970 [библиография с. 254—257].