Закономерности развития вычислений

Введение

На данный момент человеческий мозг передает информацию быстрее компьютеров, но имеет ряд недостатков. А также с точки зрения физики о том, что любое тело стремиться к состоянию покоя, человек не исключение, но изощрённое. Не смотря на недостатки человеческого мозга в плане достоверности хранения и использования информации по разным на то причинам, он создает способы для наиболее быстрого использования информации для анализа и предпринятия действий. От того и математика не стала исключением для сферы этой деятельности, то есть непосредственного усовершенствования ее использования. Складывать числа долго и утомительно, особенно если они большие, а вот умножение быстрее.

История развития вычислений

История компьютера тесным образом связана с попытками человека облегчить, автоматизировать большие объёмы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось устройство – абак. Абак (греч. αβαξ, abákion, лат. abacus − доска) − это счётная доска, простейшее счётное устройство, применявшееся для арифметических вычислений приблизительно с IV века до н.э. в Древней Греции, Древнем Риме, рисунок 1. В Европе абак применялся до XVIII века. В России ещё в средние века (16-17 вв.) на основе абака было разработано другое приспособление – русские счёты.

Рисунок 1 - Древнее счетное устройство Абак

Механические приспособления

Механизация вычислительных операций началась в XVII веке. На первом этапе для создания механических вычислительных устройств использовались механизмы, аналогичные часовым.В 1623 год − немецкий ученый Вильгельм Шиккард разработал первое в мире механическое устройство («суммирующие часы», рисунок 2) для выполнения операций сложения и вычитания шестиразрядных десятичных чисел. Было ли устройство реализовано при жизни изобретателя, достоверно неизвестно, но в 1960 году оно было воссоздано по чертежам и подтвердило свою работоспособность.

Рисунок 2 – Модель «суммирующих часов»

В 1642 году французский механик Блез Паскаль сконструировал первое в мире механическое цифровое вычислительное устройство («Паскалин», рисунок 3), построенное на основе зубчатых колес. Оно могло суммировать и вычитать пятиразрядные десятичные числа, а последние модели оперировали числами с восемью десятичными разрядами.

Рисунок 3 – «Паскалин»

В 1673 г. немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механический калькулятор, рисунок 4, который при помощи двоичной системы счисления выполнял умножение, деление, сложение и вычитание. Операции умножения и деления выполнялись путём многократного повторения операций сложения и вычитания.

Рисунок 4 – Модель калькулятора Лейбница

Однако широкое распространение вычислительные аппараты получили только в 1820 году, когда француз Чарльз Калмар изобрёл машину, которая могла производить четыре основных арифметических действия. Машину Калмара назвали арифмометр, на рисунке 5. Благодаря своей универсальности арифмометры использовались довольно длительное время до 60-х годов ХХ века.

Рисунок 5 – Модель арифмометра Калмара

Автоматизация вычислений

Идея автоматизации вычислительных операций пришла из часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были построены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов.
В 1833 году английский ученый, профессор Кембриджского университетаЧарльз Беббидж разработал проект аналитической машины, на рисунке 6, которая имела черты современного компьютера. Это был гигантский арифмометр с программным управлением, арифметическим и запоминающим устройствами. Оно имело устройство для ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов. Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты-листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий.

Рисунок 6 – Аналитическая машина Беббиджа

В 1888 году американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счётную машину, рисунок 7. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. Для работы этой машины использовалось электричество. В 1890 изобретение Холлерита было использовано в 11-ой американской переписи населения. Работа, которую 500 сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах выполнил за один месяц.

Рисунок 7 – Первая электромеханическая счетная машина Холлерита

Закон Мура

Дальнейшее развитие науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины и как итог уже в 1965г. Гордон Мур выдвигает эмпирическое наблюдение, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. В последующем появились и другие интерпретации данного закона.

Рисунок 8 – Закон Мура

Основная современная интерпретация закона Мура: количество транзисторов в микропроцессорах увеличивается в 2 раза каждые 1,5 года или на 2 порядка каждые 10 лет как за счет увеличения плотности размещения элементов, так и за счет увеличения размеров кристаллов.

Гордон Мур, один из основателей корпорации Интел, в 1965 г. впервые высказал предположение, что одним из наиболее экономически оправданных вариантов интенсивного развития цифровой микроэлектроники является ежегодное удвоение количества активных элементов на кристалле. Позднее, в 70-х и 80-х годах, оценки темпов развития стали существенно более скромными. Период в полтора года или в 18 месяцев связан с прогнозами его коллег, пришедших к середине 80-х годов к выводу о том, что производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и быстродействия каждого из них – именно об этой версии закона, как правило, по умолчанию ведется речь, когда упоминается факт экспоненциального роста многих показателей в области компьютерных технологий. Таким образом, необходимо четко различать как минимум два варианта закона Мура, которые можно обозначить в соответствии с годом их появления как «закон Мура 1965» и «закон Мура 1985».

Рисунок 9 – Периодическая система роста производительности (в операциях с плавающей запятой в секунду) различных классов компьютерных систем в период с 1992 по 2020 гг

Фактически, закон продолжает действовать, но на новом уровне. Решение дают параллельные вычисления. Не нужно создавать процессор, работающий еще быстрее. Можно создать несколько процессоров, работающих параллельно. Многоядерная архитектура компьютеров становится общепризнанной. Проблема в том, что пока нет удовлетворительного решения, позволяющего программистам использовать все преимущества параллельной архитектуры.

Криптовалюта

С программной стороны увеличение производительности достигло такой степени, что была создана отдельная валюта – криптовалюта, использующая мощность вычисления устройства. Каждый кошелек — это случайно сгенерированная пара ключей. Собственно, адрес кошелька — это хэш от публичного ключа. Так его можно однозначно идентифицировать.

Рисунок 10 – Развитие цены криптовалюты по отношению к доллару в период с 2009 по 2017 гг.

На данный момент пик математический вычислений является криптовалюта использующая сеть всего мира, а значит наибольшую мощность компьютерного вычисления в истории человечества.

Выводы

Как итог, подводя вывод, технологический прогресс и программный прогресс не стоит на месте, но даже у них есть свой предел, до нового открытия, и даже закон Мура с течением времени начал изменяться, определяя грядущий «потолок» развития. От того существует третья составляющая развития современных ЭВМ, которая на данный момент в мире продолжает развиваться, это алгоритмические средства. Но все они развиваются на простейших основах открытыми ранее.

Список литературы

1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОБЩЕННЫЙ ЗАКОН МУРА, А.Я. Аноприенко /к.т.н./, [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vestnik.donntu.ru/dl/2016/02/anoprienko.pdf/. – Заглавие с экрана.
2. История развития вычислительных систем [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://infourok.ru/lekciya-istoriya-razvitiya-vichislitelnih-sistem-442326.html. – Заглавие с экрана.
3. Майнинг и как он работает: матчасть [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com/ru/post/204008/. – Заглавие с экрана.