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 физ. формы представления обрабатываемой информации различают аналоговые, цифровые и аналого-цифровые (гибридные) средства В. т. В аналоговых средствах
В. т. обработке подвергаются физические величины (токи, напряжения и др.), которые в определенном непрерывном диапазоне моделируют матем. величины. В цифровых средствах В. т. обработке подвергаются цифровые (дискретные) коды математических величин. В аналого-цифровых (гибридных) средствах В. т. применяются обе указанные формы представления величин.
По степени универсальности в обработке информации средства В. т. 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 т. п.), приборы (планиметры, арифмометры, корреляторы и т. п.) и машины. На современном этапе развития В. т. широко пользуются вычисл. машинами и их комплексами.
Простейшим примером аналогового вычисл. инструмента является логарифмическая линейка, изобретенная еще в конце 15 ст. В 1814 англ. ученый Дж. Герман изобрел планиметр. Позднее англ. физик Дж.-Дж. Томсон (1856—1940) создал фрикционный интегратор. Англ. физик У. Кельвин (1824—1907) показал возможность решения дифф. уравнений путем соединения нескольких интеграторов. Польс. математик Б. Абданк-Абаканович (1852—1900) в 1878 изобрел аналоговый интегратор, называемый интеграфом. Идеи Абданк-Абакановича были положены в основу первой вычисл. машины для решения дифф. уравнений, построенной в 1904 рус. математиком и механиком А. Н. Крыловым (1863—1945) для решения задач кораблестроения. Усовершенствование механических интегрирующих машин связано с работами амер. ученого B. Буша. Машина Буша состояла из фрикционных интеграторов, мех. сумматоров и мех. передач для умножения на постоянную величину. Во втором десятилетии 20 ст. разработан метод моделирования, на основе которого в последующем развились вычисл. устройства, использующие электропроводящую бумагу.
Начало работ по аналоговым вычислительным машинам в СССР относится к 3-му десятилетию 20 ст., когда сов. математик С. А. Гершгорин заложил основы построения сеточных электроинтеграторов для решения уравнений в частных производных. В 30-х годах сов. ученый-электротехник С. А. Лебедев (р. 1902) разработал методику моделирования электросетей переменного тока и построил полуавтоматическую электрическую модель для их расчета, а затем появились работы сов. электротехников А. А. Горева и В. А. Веникова (р. 1912) по физ. моделированию энергетических систем. В 40-х годах под рук. сов. физика И. С. Брука разработан электромех. дифференциальный анализатор, в 1945 под рук. сов. электротехника Л. И. Гутенмахера были созданы электронные аналоговые машины с периодизацией решения. В этом же году под рук.
C. А. Лебедева создана электронная аналоговая машина для решения систем обыкновенных дифф. уравнений. Аналоговые машины, основанные на операционных усилителях (наиболее близкие к современным аналоговым машинам) в СССР впервые созданы в 1949.
Осн. достоинствами средств аналоговой В. т. (по сравнению с цифровыми), обусловливающими их широкое применение для решения научно-тех. задач и использование в системах автомат, управления тех. 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 франц. физик Б. Паскаль (1623—62) построил счетную мех. машину, выполнявшую операции сложения и вычитания. Позднее построено около 50 таких машин. В частности подобные счетные устройства разрабатывали нем. математик Г.-В. Лейбниц (1646—1716), рус. математик П. Л. Чебышев (1821—94) и позднее рус. инж. В. Т. Однер. «Колесо Однера» стало основой современных арифмометров. В дальнейшем на смену арифмометрам пришли настольные мех. и электромех. машины, а
позднее — малые электронные цифровые машины. Наиболее близким прообразом современных цифровых вычислительных машин следует считать «аналитическую машину» англ. математика Ч. Бэббиджа (1833). Настольные счетные и счетно-аналитические машины уже в начале 19 ст. получают весьма широкое распространение.
В 1937—44 под рук. амер. ученого Г. Эйкена создана электромех. цифровая вычисл. машина «Магк-1». Революционным поворотом в развитии цифровой В. т. явилось создание электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) с программным управлением, являющихся основными тех. средствами кибернетики (илл. между с. 176—177). Первая электронная быстродействующая ЦВМ «ЭНИАК» (построена в 1946 в США) содержала около 18 000 ламп и потребляла более 100 кет мощности электроэнергии. Машина работала в десятичной системе счисления. Сложение и вычитание производилось за 200 мксек; умножение — за 2800 мксек. Она предназначалась для решения дифф. уравнений в частных производных, а также некоторых других расчетов. В СССР в 1950 под рук. 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 магн. барабане. Структура и осн. 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 рук. 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 ст. в СССР создан также ряд других ЦВМ широкого назначения («М-2», «М-3» и «Киев»), серийные машины «М-20» и затем «М-220», семейства серийных машин «Урал», «Минск» и «Раздан», новые серийные модификации которых продолжают выпускать, и др. 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 др. 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 пром. назначения. В 60-х гг. создаются малые машины для инженерных расчетов («.Промть», «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 (см. Микроэлектронная элементная база вычислительной техники), которые наряду с повышением качества средств В. т. позволяют также далеко продвинуть автоматизацию их проектирования и производства. Влияние элементной базы на развитие В. т., особенно ЦВМ, было и является настолько определяющим, что в зависимости от типа применяемых элементов теперь различают «поколения» ЦВМ (см. Вычислительная машина).
Важной вехой на пути развития средств В. т. 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 (см. Вычислительная система).
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 вычисл. процесс в целом, включая взаимодействие между пользователем и машиной. Развитие матем. обеспечения в свою очередь оказывает сильное влияние на принципы построения машин, в структурах которых реализуются некоторые компоненты матем. 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 В. т. происходит непрерывное расширение области их применения. Главные направления использования этих средств: решение матем., тех. и логич. 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 В. т. 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 т. д. Развитие цифровой В. т. в значительной мере определяет научный, эконом, и военный потенциалы страны. Эта роль В. т. на протяжении ближайших лет будет все возрастать.
К цифровым вычисл. 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 ст., он» получили применение в ряде спец. систем, напр., в авиационных бортовых управляющих системах, системах аэрокосмического назначения и др.
Гибридные вычислительные средства появились в 50-х годах 20 ст. Вначале их создавали путем объединения в едином вычисл. комплексе аналоговой и цифровой вычисл. машин. Современные гибридные вычислительные машины характеризуются глубоким взаимным проникновением цифровых и аналоговых схем и работой их в едином вычисл. процессе с целью использования преимуществ и цифровой, и аналоговой В. т. 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 вычисл. 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, наз. 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 В. т., как автомат, средств переработки информации физ. способами, их общая теория имеет две стороны — конструктивно техническую и информационную. Первая базируется на традиционных дисциплинах — электронике, автоматике и др., вторая — на ряде разделов теоретической кибернетики — на алгоритмов теории, автоматов теории, теории кодирования и теории языков, на моделировании математическом и др. и получает самостоятельное развитие как прикладная ветвь теор. кибернетики.
В связи с большим удельным весом ЦВМ в В. т., их значением как осн. средств кибернетики (реализующих универсальные преобразования информации), логико-структурной и тех. 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 др. 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 (р. 1923) и др., из ранних зарубежных работ можно назвать, напр., труды амер. ученых Г. Эйкена, Дж. фон Неймана и др. 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 вычисл. машинах и теория взаимодействия человека с вычислительной машиной, содержащая, в частности, ряд вопросов матем. обеспечения машин, связанных с организацией вычисл. 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 машины в целом). Вместе с тем теорию проектирования ЦВМ делят на разделы, соответствующие этим рангам.
В основе теории аналоговых вычисл. машин лежит понятие изоморфизма (возникшее при развитии матем. представлений о природе и имеющее универсальный характер). Опираясь на него, развивалась теория электронного матем. 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 вычисл. машин. Основы теории квазианалоговых вычисл. машин были заложены работами укр. ученого-электротехника Г. Б. Пухова (р. 1916). Квазианалоговая вычисл. машина для решения заданной задачи — это аналоговая вычислительная машина, решающая ква-зианалоговым 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 вычисл. машина, кроме квазианалога, содержит и спец. устройство для управления им (см. Квазианалоговое моделирование).
По теории гибридных вычислительных машин, находящейся в стадии становления, основополагающие работы в СССР выполнили Г. Е. Пухов, Б. Я. Коган и др. Осн. вопросы здесь сводятся к разработке структур гибридных вычисл. систем, выбору рационального соотношения между цифровой и аналоговой частями, автоматизации работы гибридных систом и разработке элементов и схем, а также к разработке матем. обеспечения гибридных систем.
Учитывая большое научное, нар.-хоз. и оборонное значение средств В. т. в современных условиях, XXIII и XXIV съезды КПСС подчеркнули необходимость всемерного развития В. т. в СССР. В Директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития нар. х-ва СССР на 1971 —1975 годы предусмотрено увеличить выпуск средств В. т. в 2,4 раза, в т. ч. 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 нар. х-во автоматизированных систем управления с использованием средств В. т. Все шире развертывается вычислительных центров сеть, призванных обеспечить эффективное практическое использование средств В. т. для построения материально-технической базы коммунизма.
Лит. Материалы XXIV съезда КПСС. М., 1971; Лебедев С. А., Мельников В. А. Общее описание БЭСМ и методика выполнения операций. М., 1959; Глушков В. М. Синтез цифровых автоматов. М., 1962 [библиогр. с. 464—469]; Коган Б. Я. Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования. М., 1963 [библиогр. с. 494— 505]; Малиновский Б. Н. Цифровые управляющие машины и автоматизация производства. М., 1963 [библиогр. 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 [библиогр. с. 480]; Пухов Г. Е. Методы анализа и синтеза квазианалоговых электронных цепей. К., 1967 [библиогр. с. 560—564]; Голубев-Новожилов Ю. С. Многомашинные комплексы вычислительных средств. М., 1967 [библиогр. с. 402— 415]; Глушков В. М. [и др.]. Вычислительные машины с развитыми системами интерпретации. К., 1970 [библиогр. с. 254—257]. В. А. Борковский,
Б. Н. Малиновский, 3. Л. Рабинович.
