История компьютерной логики

История компьютерной логики.

Странная тема, которая может показаться интересной любителям истории развития компьютерного железа. Хотя в этой статье я уделяю больше внимания не столько самой истории, сколько логике бинарной архитектуры и причинам, почему современные компьютеры работают именно так, а не иначе. Меня не столько интересует сама история, сколько принципы работы компьютерного железа, и цели почему всё именно так работает и скомпоновано, а не по-другому, а также мысли о том как это можно было бы улучшить, и почему никто не улучшает.

Начнём с самого начала, с изобретения самых первых бинарных вычислительных устройств, а изобретены они были не много ни мало, а в начале 19ого века, то есть очень давно и в Англии (и даже раньше). Как вы понимаете это были нихрена не компьютеры, они были не полупроводниковыми, и вообще даже не электрическими. Речь идёт о самых первых механических калькуляторах, использовавших бинарную логику для простейших арифметических вычислений. Надо сказать, что хотя самое первое устройство было именно калькулятором, сами калькуляторы не прижились. Денег в те времена у всех было мало, а стоимость такого устройства была очень высока, и использовать его для того чтобы сложить два трёхзначных числа размером до 256 было слишком дорого, и это можно было сделать самому, намного быстрее и дешевле. Тем не менее, сам принцип сумматора работал уже тогда. Надо сказать, что история бинарных устройств не закончилась на первом механическом калькуляторе, просто потому что с 1840ых годов Англия и другие западные державы вступили в эпоху прогресса, и им понадобились сложные управляющие устройства в самых разных областях, и прежде всего в военной. В частности некоторые крупные морские суда Англии, первые дредноуты уже тогда наводили свои пушки на цель не на глазок, а используя механические расчётные системы, в основе которых и была положена бинарная логика. Также очень быстро появились различные управляющие электромеханические устройства, позволяющие управлять самыми разными системами боевых кораблей, самых первых электростанций и много чем ещё. Такие устройства часто состояли из 4 или 8 переключателей ВКЛЮЧЕНО и ВЫКЛЮЧЕНО, как в современной бинарной логике 0 и 1, и выполняли супер простые функции что-то включить или выключить. При этом 4 переключателя могли находиться в коробочке размером 10х10х10см и работать со скоростью одно действие раз в две секунды, при этом чтобы действие произошло человек должен был нажать кнопку. То есть, по моему мнению, развитие компьютеров началось уже тогда, с появления первых простейших электромеханических устройств управления чем-либо. Просто это период когда люди впервые стали работать с самими вычислительными устройствами и думать как их сделать, чтобы вообще что-то работало.

Уже в конце 19ого века стала бурно развиваться самая разная электротехника, появились электростанции, первые автомобили, сложные системы управления железными дорогами. И если где-то в России всё было просто и примитивно и управлялось человеком, то в железных дорогах Англии в конце 19ого века уже была масса электромеханических устройств управляющих движением поездов, по типу того как сейчас, только гораздо примитивнее. Но суть в том, что поезда уже не всегда управлялись чисто человеком, и появились электрические системы контроля, прообраз современных железнодорожных систем. Тут речь даже не о том, в какой степени эти устройства управляли железнодорожным движением, может и в совсем маленькой, не как сейчас. А в том, что производство таких электромеханических устройств вообще массово началось, серийно. И это уже были самые разные виды переключателей, которые могли что-то где-то переключить без участия человека. А также появились люди, которые учились делать такие устройства, получали образование в этой области, и даже кафедры электромеханики в университетах Англии. И вот тут важно заметить, что минимум половина этих устройств использовала самую простейшую бинарную логику, и уже тогда, в начале 20ого века, ещё до первой мировой войны, уже появились упрощённые электрические калькуляторы, которые стояли в щитке ЖД транспорта и что-то там считали. Транзистор и всё остальное ещё не было изобретено. Но уже была изобретена коробочка в которой было 8 переключателей, работающих точно также как включается и выключается свет в обычном ручном переключателе у вас дома. И эти 8 или даже 16 логических переключателей уже могли рассчитать что-то очень простое, и принять одно из 8 возможных решений, предусмотренных их схемой расположения. То есть это было простейшее управляющее бинарное устройство. Пока ещё очень большое медленное, и ничего не умеющее, кроме как сделать выбор из нескольких вариантов. Но оно уже было компьютером, просто очень и очень примитивным, это даже не компьютер, а его самый первый и примитивный предок. Я рассказываю про всё это, чтобы указать на то, что сама логика переключения чего-то бинарно была создана очень давно. И если честно первые механические калькуляторы появились даже не в 19ом веке и не в Англии, а ещё намного раньше, просто это не имеет смысла обсуждать.

Так вот дальше в 1930ые годы компьютеров ещё не было, но началось бурное развитие электротехники в целом. Появились электрические громкоговорители, радио, первое телевидение, системы связи военных, в Англии перед войной создали первые радио радары. В западном мире в Англии и США в быт вошло множество электроприборов, а сами системы управления везде и всем, даже светофоры, стали сложнее, и свет в светофоре переключался уже без участия человека. В 1930ые годы в США и Англии появились первые телефонные станции, в которых переключение между номерами при звонке происходило автоматически, без участия девочки телефонистки, которой надо было говорить, куда ты звонишь с кем соединить, при каждом звонке. То есть в мире появилось множество электроприборов, которые использовали логические управляющие элементы, в основе которых были электромеханические переключатели. Использовать для этой цели полупроводники и микрочипы, изготовленные по нано технологиям, ещё никто не додумался, да и нано технологий не было. А вот логические переключатели размером в несколько миллиметров и даже меньше, уже стали нормой, по крайней мере в развитых странах. Лидерами электронной отрасли в тот период были США и Англия, надо сказать Германия развивала другие области военной промышленности связанные больше с военной сферой, чем с экономикой, производство танков и авиации. И следует добавить что к концу 1930ых годов, такие системы как радары Англии, управлялись уже устройствами довольно сложными, в них было не 8 логических переключателей а гораздо больше. Да и телевизоры появились в начале 1930ых и даже в них было дофига электронных деталей и переключателей, и не 8 и даже не 128, а побольше. И хотя эти переключатели не были полупроводниковыми, а кто-то скажет что там были радиолампы, сути это не меняет. Вся логика везде была бинарной, аналоговые схемы именно для управления использовались редко, не путать с телесигналом, да сигнал в телевещании или по радиосвязи был аналоговым, но не устройства управления. И я просто подвожу вопрос к тому, что ещё до появления самых первых компьютеров появилась очень сложная микроэлектронная база для изготовления самой разной довольно сложной электротехники. И это самое главное. Причём эту электронную базу уже производили не где-то в тайной лаборатории в количестве двух штук в год, а она была массово внедрена в жизнь, в виде телевизоров, радио, телефонов, телефонных станций, реле управления железных дорог, военных радаров, электрических систем управления тяжёлыми и дорогими боевыми морскими кораблями. И если где-то в СССР всё это отставало от запада лет на двадцать, потому что там сделали акцент на производство танков и артиллерии, что накануне войны было более важно, то в Англии и США уровень развития производства микроэлектронных компонентов уже тогда был очень высоким, и качественно и количественно.

Просто сегодня очень часто звучит мысль о том, что в отставании СССР в компьютерах виноват Сталин, который после войны объявил кибернетику лженаукой, и только поэтому мы отстали, а так бы мы ОГОГО показали бы им буржуям. Так вот это неправда, да компьютеры стали массово внедряться в жизнь после войны, а в США и Англии самые первые компьютеры были созданы в военные годы. На самом деле тотальное отставание по производству любых микроэлектронных компонентов у СССР началось ещё с 1890ого года, ещё задолго до СССР и продолжалось постоянно. И в 1939ом году, СССР в основном был озабочен производством танков и самолётов, и выплавкой стали. То есть никакого достаточно массового и масштабного производства электронных компонентов не было. Те микроэлектронные компоненты, что производились в СССР в 1939ом году или в 1941ом году до войны, их производилось очень мало, и они производились как копирование западных образцов пяти или десяти летней давности, то есть с заведомо отставанием, и это был абсолютно необходимый минимум и только. СССР практически не имел собственной электронной базы, не имел собственной базы разработки нового на конкурентном уровне, не создавал ничего своего, и в основном пытался наладить производство западных компонентов. Причём руководство СССР не считалось микроэлектронику приоритетом в 1939ом году, и во время индустриализации были совсем другие приоритеты, строительство танков, железных дорог и армии. Поэтому когда в Англии и США в период с 1930ого по 1941ый год шло бурное развитие микроэлектроники, и буквально каждый год выпускалось новое поколение более совершенных микроэлектронных компонентов, и оборудования для их производства. В это время СССР направлял в эти области минимальное финансирование и в основном покупал чужое, и был не в состоянии создать своё, и даже не стремился к этому. То есть объёмы и масштабы развития микроэлектронной базы в США и Англии уже тогда не шли ни в какое сравнение с Германией или СССР. И кстати хочу подчеркнуть, что в Германии дела в этой области были не так печальны как в СССР, но тоже не всё хорошо. В основном электрооборудование в Германии хоть и было развитым, но касалось не управляющих устройств телевидения и микроэлектроники, а в основном это было промышленное оборудование скажем так, а это немного другая область, тоже не то, что надо, не компьютеры. Хотя, учитывая 9 мая 1945ого года, что было у Германии не так уж важно на самом деле.

Поэтому когда война закончилась, США и Англия уже имели сверхразвитую микроэлектронную базу, целую промышленность, опыт разработки, сеть научно исследовательских центров и опытных специалистов, которые занимались этим вопросом десятки лет. Это были люди, которые сами создали все устройства с нуля, всему научились, имели хорошее образование и опыт, а не те вчерашние крестьяне и рабочие от станка из СССР которым государство купило чужую устаревшую детальку и сказало "изучайте и сделайте такую же через 5 лет". Притом что эта деталька уже на момент покупки была устаревшей, и на западе выпускали новое поколение таких деталей каждый год. То есть западный мир в лице Англии и США после войны имел развитую научную и производственную базу в области микроэлектроники, в которой работали сотни тысяч людей, с опытом и образованием, а в СССР всего этого не было. Никакого равенства в области создания компьютеров не было. У СССР изначально на старте не было шанса догнать противника, а сделать компьютер по нано технологии на коленке очевидно нельзя никак, тут молоток и зубило не помогут. Пока в СССР одно единственное опытное производство на всю страну собирало самый первый компьютер очень маленькой мощности, из подручных средств и мусора и не имея даже опыта работы в микроэлектронике. В США уже налаживали массовое производство компьютеров на основе бинарной логики. СССР изначально на старте очень и очень сильно отставал от западных стран в области всех микроэлектронных устройств, их производства, специалистов и так далее. Да в СССР были сделаны большие усилия, чтобы догнать, но догнать в итоге так и не удалось. Была программа минимального импортозамещения, чтобы как-то вооружить армию оружием способным вообще воевать, ракетами ПВО, радарами и так далее, примерно как в России сейчас. Но СССР отставал изначально, отставал тотально по всем направлениями и на много лет. Отставал сам фундамент, отставал до такой степени что у СССР этого фундамента практически не было вовсе. Не стоит думать что какие-то маленькие шарашки и лаборатории электроники 1946ого года могли что-то там догнать, в то время как в США развивалась целая супер индустрия. В СССР в 1946ом году было много проблем, только что кончилась война, людям жилые дома надо было в разрушенных городах строить, срочно создавать ядерное оружие, а позже запускать в космос Гагарина. Никто не был готов вливать 10% ВВП страны в микроэлектронику, чтобы реально догнать запад. Причём в те времена ещё не было компьютеров, никто не знал будущее и никто не знал как это важно иметь развитую микроэлектронику.

Хотя если честно, моё историческое мнение, чем развивать космос и лететь на Луну, было бы лучше ещё в 1950ом году всё бросить на развитие микроэлектроники и догонять запад в этой области до тех пор, пока не догнали бы. Хотя это историческое мнение, основанное на знании результата, ясно, что в те времена люди иначе видели мир и по другому понимали приоритеты, никто не знал что будет через 80 лет.

Надо сказать, что самые первые компьютеры в США появившееся в годы войны, в основном были представлены логическими переключателями, такими же как те что включают и выключают свет. То есть их задача замыкать и размыкать цепь, и таких переключателей было много. В первых компьютерах были десятки тысяч таких переключателей, они работали с частотой 100 герц и быстро перегорали. Но это были первые 4 разрядные или 8 разрядные схемы, способные работать точно также как современный компьютер. Они были очень большими и работали очень медленно. США потратили очень много времени и денег, чтобы уменьшить размер этих систем. Полноценные суперкомпьютеры небольшой мощности в США появились сразу после войны, однако не было технологий их сборки и массового производства, а монтаж и изготовление очень большого количества переключателей осуществлялись вручную, поэтому компьютеры были очень дорогими, и их было мало. Уже тогда появились самые первые ПК, но они тоже изготавливались полностью вручную, и маленький компьютер той же мощности часто стоил гораздо дороже, чем большой, а это важное отличие от современных компьютеров. Поскольку изготавливать и обслуживать очень маленькие схемы вручную дороже, чем более крупные, то многие первые компьютеры никто и не старался особо уменьшать. Работать вручную со слишком маленьким устройством, ремонтировать это слишком маленькое устройство, намного сложнее и дороже чем большое. Тем более что ломались такие схемы постоянно, а не как сейчас, когда поставил компьютер на шкаф, сделал андервольт и он работает 15 лет без ремонта. При этом компьютер со слишком маленьким количеством переключателей ничего считать не может, а большое количество переключателей стоит дорого. Примерно лет десять компьютеры в США производились чисто ручной сборкой на всех этапах, и это резко ограничивало их количество, ручная сборка это очень дорого. Каждый байт оперативной памяти стоил денег, буквально каждый байт. Поэтому отставание в микроэлектронике хоть и было, но не играло большой роли, как сейчас. В те времена на всю США было несколько десятков больших и дорогих компьютеров незаменимости у которых не было. Я не буду рассказывать про тайные программы компьютеров США и их реальные наработки тех лет, я просто не хочу, чтобы меня обвинили в лженаучности и лжеистории, поэтому рассматриваю вопрос поверхностно и официально, не будем говорить про успехи Года.