Первый компьютер Mark I был построен в 1943г. в Гарвардском Университете. Машина была длиною 15 метров, весила 5 тонн и состояла из 750 тысяч частей. В 1945г. была создана машина ENIAC весом 30 тонн и площадью 100 м2. При работе машина использовала около 150 квт/ч. В 1949 был построен EDSAC – первый компьютер с хранимой программой, полностью соответствующий архитектуре фон Неймана. Первый американский коммерческий компьютер UNIVAC-1 для бюро переписи США, содержащий 5000 электронных ламп, был выпущен в 1951г. В нашей стране в 1951 г. была спроектирована БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина).
Все эти устройства принято относить к первому поколению компьютеров. Их главной отличительной особенностью было использование электронных ламп в качестве основной элементной базы электронных схем. Один двоичный разряд изображался одной электронной лампой (по размерам она больше обычной лампочки). Кроме того, в схемы входили конденсаторы, катушки индуктивности и сопротивления, существовавшие в то время. Подобные схемы использовались как для элементов памяти, так и для вычислений. В результате электронные схемы имели большие размеры, потребляли много энергии и выделяли много тепла, поэтому компьютеры занимали очень большую площадь и были очень дорогими. Их память и быстродействие по современным меркам были просто смешными. Однако и такие компьютеры были незаменимы в разработке новейших технологий, в первую очередь военных.
Однако первое поколение компьютеров отличалось не только элементной базой. В качестве входных и выходных устройств использовались перфоленты и перфокарты. Можно было вывести данные и на принтер. Программы создавались в машинных кодах, то есть непосредственно в том виде, в котором они хранились в памяти компьютера, и в таком виде вводились в память. Не было ни клавиатуры в современном понимании, ни магнитной памяти, ни мониторов. Не было и операционной системы.
Первые качественные усовершенствования происходили в программировании. Довольно быстро разработчики программ поняли, что программирование в машинных кодах не позволяет создавать сложные программы. В результате появились языки программирования. Первый простейший алгоритмический язык и компилятор к нему (и само слово «компилятор») придумала в 1951г. Грейс Хоппер (в дальнейшем единственная женщина-адмирал в ВМФ). C 1953 года стали появляться языки, получившие название Assembler. В нашей стране такие языки назывались Автокодом. Основное отличие этих языков от машинного – использование символьных имен вместо кодов команд и адресов переменных, а также использование макрокоманд, заменяющих целую группу машинных команд. Assembler для каждой марки компьютера был свой.
В 1957 г. группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над первым языком программирования высокого уровня, получившим название FORTRAN. В 1959г. разработан язык программирования COBOL. В том же 1959г. Джон Бэкус и Питер Наур придумали метаязык формального описания синтаксиса языков программирования – форму Бэкуса-Наура. В 1960 г. на конференции программистов был утвержден стандарт языка ALGOL-60, который имел огромное значение для дальнейшей разработки алгоритмических языков. Языки программирования, структура которых строилась на тех же принципах, получили название алголоподобных.
В дальнейшем количество языков программирования значительно выросло. Появились такие широко известные языки, как BASIC (1964г.), Pascal (1969г.), C (1972г.). Получили распространение не алголоподобные языки, например, язык списков LISP и логические языки PROLOG и PLANNER. А в 1983г. были предложены такие теперь распространенные объектные языки программирования, как C++ и Object Pascal.
Компьютеры второго поколения появились с усовершенствованием элементной базы. Революцию в информационных технологиях произвело использование полупроводников вместо электронных ламп. В результате один двоичный разряд (так называемый триггер) стал изображаться транзистором, который имел на порядок меньшие размеры, чем электронная лампа, быстрее переключался, требовал меньшего напряжения и силы тока, и был значительно дешевле и долговечнее. Транзисторы стали использоваться как для разрядов оперативной памяти, так и для микросхем процессора – устройства, сосредоточившего все вычисления и управление компьютером. В результате сразу произошел скачок в объеме памяти, быстродействии, в энергопотреблении, в решении проблем отвода тепла. Компьютеры стали мощнее, компактнее и дешевле.
В 1956г. в США создан первый компьютер на транзисторной основе. И за несколько лет компьютеры на транзисторах полностью вытеснили компьютеры на электронных лампах. Хотя и в 1963 году в Вычислительном центре Академии Наук СССР стояла машина БЭСМ на электронных лампах.
Параллельно совершенствовались входные и выходные устройства компьютера. Главное – появились устройства постоянного хранения цифровой информации – магнитные ленты и магнитные барабаны. До этого у компьютеров была только оперативная память, которая очищалась при выключении компьютера (как это происходит и сейчас!). Магнитная лента компьютера работала по образцу магнитной ленты магнитофона, только была шире и толще для большей надежности. В магнитных барабанах запись производилась на поверхность вращающегося круга большого радиуса. Барабаны были предшественниками нынешних магнитных дисков.
Следующие революционные изменения были связаны с технологическим прорывом в размещении транзисторов и привели к появлению компьютеров третьего поколения. В 1959г. Д. Килби и Р. Нойс создали уникальную цепь логических элементов на поверхности кремниевого кристалла, соединённого алюминиевыми контактами – первый прототип интегральной микросхемы. Физический принцип действия элементов схемы был тот же – полупроводники, но за счет технологических решений удалось во много раз уменьшить размеры элементов электронной схемы. Кроме того, нанесение элементов схемы на кремниевую подложку производилось методом печати – как книг в типографии. Такие схемы были меньше, производительнее, надежнее и дешевле, чем прежде. Через два года появились первые компьютеры, в которых использовались интегральные схемы для блоков оперативной памяти и для процессора.
В 1964г. фирмой IBM было разработано семейство компьютеров различной производительности и стоимости. Особенностью семейства была общая элементная база, одинаковый машинный язык и в связи с этим программная совместимость, общая операционная система, совместимые периферийные устройства. Благодаря этому на двадцать лет фирма IBM фактически стала монополистом на рынке коммерческих компьютеров. И именно с этого периода начался отсчет третьего поколения компьютеров.
Наша страна, в силу политических причин, была должна развивать компьютерную индустрию самостоятельно. В результате, хотя и с запаздыванием в несколько лет, нам удавалось поддерживать достойный уровень. Однако в какой-то момент на высшем уровне было решено свернуть собственные разработки и наладить выпуск семейства ЕС ЭВМ, скопированного с семейства IBM.
До сих пор мы ничего не говорили об операционных системах компьютера. Уже в начале 50-х годов оперативная память стала настолько большой, что в ней могло поместиться несколько программ. Кроме того, из чисто алгоритмических соображений вместо одной большой и сложной программы программисты создавали комплекс связанных подпрограмм, которые решали частные подзадачи одной общей задачи. В результате появилась необходимость использовать служебные программы, которые бы управляли правильным выполнением комплекса подпрограмм. Другой важный резерв упрощения сложной профессии программиста – создание библиотек стандартных подпрограмм (прежде всего подпрограмм ввода и вывода на внешние носители), которые могли бы многократно использоваться в совершенно разных задачах. Поэтому каждая фирма, разрабатывающая компьютеры, снабжала их и соответствующими системными программами. Комплекс таких системных программ стал называться операционной системой.
Поскольку каждая фирма выпускала компьютеры, в которых использовался свой машинный язык, программы и операционные системы было нельзя переносить с одного компьютера на другой. Заслуга фирмы IBM заключалась еще и в том, что с 1964г. был установлен стандарт машинного языка, который и используется сейчас во всех без исключения компьютерах. В частности, был использован код шифрования символов ASCII, который в 1966г. был признан стандартным. Кроме того, компьютеры семейства IBM были устроены так, что без операционной системы они вообще не могли работать (и этот принцип соблюдается до сих пор).
В семействе IBM System/360 использовалась операционная система OS-360. В 1969г. Кен Томпсон и Деннис Ритчи разработали универсальную операционную систему Unix, которая используется и в настоящее время в больших компьютерах – мейнфреймах. Широкое распространение персональных компьютеров фирм Apple и MicroSoft неразрывно связано с операционными системами Macintosh и MS DOS и затем MS Windows.
Четвертое поколение компьютеров связано с очередной технологической революцией, которая произошла в 1974г. – появлением больших и супербольших интегральных схемы (БИС и СБИС). Отличием БИС является пространственная, а не плоская архитектура. Если в интегральных схемах все соединения печатались в плоскости кремниевого кристалла, то БИС состоит из нескольких слоев кремния, между которыми робот осуществляет «прошивку» соединений. В результате с конвейера сходит целиком готовое устройство – процессор, карта памяти, видеокарта и т.д.
Стремительное развитие электроники позволило разместить на одном кристалле тысячи и миллионы полупроводников. Такая миниатюризация привела к созданию микропроцессора немыслимой ранее мощности. Одним из следствий явилось появление персонального компьютера. Первым персональным компьютером считается Altair-8800, созданный на базе микропроцессора Intel-8080, работающий под управлением операционной системы CP/M.
Фирма Intel была основана в 1968г. Робертом Нойсом и Гордоном Муром, и в 1969г. представила первую микросхему оперативной памяти объёмом 1 Кб. Скоро она стала одной из ведущих в производстве процессоров. А с появлением микропроцессоров и персональных компьютеров она заняла монопольное положение на рынке микропроцессоров, и по настоящее время именно в этой фирме производится подавляющее большинство процессоров для персональных компьютеров.
Первым микропроцессором стал Intel-4004 созданный 1971 г. В 1974г. появился микропроцессор Intel-8080. А в 1993г. фирма Intel выпустила первый процессор нового поколения 32-разрядный Pentium. В 1995г. Intel представляет процессор Pentium Pro, предназначенный для мощных рабочих станций.
В 1976г. Стив Возняк и Стив Джобс собирают в собственной гаражной мастерской компьютер серии Apple. А 1 апреля того же года на свет появляется компания Apple Computer. В 1980г. персональный компьютер Atari становится самым популярным компьютером года.
Параллельно совершенствованию процессоров и оперативной памяти совершенствовались периферийные устройства компьютера. Еще в 50-х годах для ввода символьной информации непосредственно в память стала использоваться клавиатура. В компьютерах семейства IBM для вывода символьной информации стал использоваться дисплей – усовершенствованный экран телевизора. В 1963г. Дуглас Энгельбарт получил патент на изобретённый им манипулятор "мышь". В 1971г. Джеймс Фергасон разрабатывает жидкокристаллический дисплей. В 1981г. фирма Creative Technology выпустила первую звуковую карту. В 1984г. фирма IBM представляет первые 14-дюймовые мониторы, поддерживающие 256 цветов и разрешение в 640х480 точек.
В 1969г. фирма Xerox создаёт технологию лазерного копирования изображений (которая потом ляжет в основу технологии печати лазерных принтеров) в результате чего появились первые "ксероксы". В 1978г. фирма Commodore выпустила на рынок первые модели матричных принтеров. В 1984г. фирма Hewlett-Packard выпускает первый лазерный принтер серии LaserJet, а в 1988г. – первый струйный принтер серии DeskJet.
Особенно важное значение имело ускоренное развитие внешних устройств для хранения информации. Вместо магнитных барабанов в первых компьютерах третьего поколения появились магнитные диски, которые имели значительно меньшие размеры магнитных меток и значительно большую скорость вращения. В 1973г. фирма IBM представляет жёсткий диск емкостью 16 Кб, который содержал 30 магнитных цилиндров по 30 дорожек в каждом. Из-за этого он был назван "винчестером" (30/30" - марка знаменитой американской винтовки). В 1980г. фирма Seagate Technologies представляет первый винчестер для персональных компьютеров - жёсткий диск диаметров 5.25 дюймов. В 1984г. фирма Philips выпускает первый дисковод CD-ROM для чтения информации с CD-дисков.
Понятие поколений компьютеров после четвертого оказалось размытым. Поначалу оно связывалось не с технологиями, а с функциональными характеристиками. Предполагался переход к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта. Связь компьютера с пользователем должна осуществляться на основе «интеллектуального интерфейса». Задача интерфейса — понять текст, написанный на естественном языке или речь, и изложенное таким образом условие задачи перевести в работающую программу.
Основные требования к компьютерам пятого поколения: распознавание речи, образов; развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; создание новых технологий в производстве вычислительной техники; создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.
Однако эти задачи до сих пор в должной мере не реализованы. Поэтому в настоящее время существует распространенное мнение, что компьютерами пятого поколения следует называть суперкомпьютеры. Отличительной особенностью суперкомпьютеров, основанных на самых новейших технологиях, является многопроцессорность (тысячи одновременно работающих процессоров) и использование очень сложной методики распараллеливания вычислений, обеспеченной возможностями соответствующей операционной системы.