История электронных компьютеров

Но NVIDIA не была единственным игроком. Канадская компания ATI Technologies, основанная в 1985 году, развивала собственную линию графических решений. В 2000-х ATI выпустила серию Radeon, которая составила серьезную конкуренцию линейке GeForce. Борьба двух гигантов, NVIDIA и ATI, во многом определяла темп развития всего графического рынка.

В 2006 году компанию ATI приобрела AMD, и с тех пор видеокарты под брендом AMD Radeon продолжают противостоять GeForce в ожесточенной технологической гонке.

GPU выходит за рамки

К середине 2000-х годов стало ясно: GPU умеют нечто большее, чем просто рендеринг графики. Их архитектура с десятками, а затем и сотнями ядер позволяла выполнять тысячи параллельных операций одновременно. Это было находкой для научных вычислений и инженерных задач, особенно там, где важна скорость массовых вычислений. Так появилось направление GPGPU – General-Purpose computing on Graphics Processing Units. Ключевым моментом стало появление CUDA (Compute Unified Device Architecture) от NVIDIA в 2006 году. CUDA дала программистам инструменты для написания кода, запускаемого на GPU, как на полноценном вычислительном устройстве.

С тех пор GPU применяются в: молекулярной динамике и физике высоких энергий, финансовом моделировании, криптографии и хешировании, видеорендеринге и симуляции жидкостей, биоинформатике и секвенировании генома.

GPU и искусственный интеллект

Настоящий взрыв произошел в 2010-х годах, когда нейросети стали обрабатывать миллионы параметров. Стандартный CPU не справлялся с объемом и характером этих вычислений. А вот GPU оказался идеальным кандидатом: массовые матричные операции – его стихия.

Сегодня обучение больших языковых моделей (LLM), генеративных ИИ, компьютерного зрения и распознавания речи происходит именно на GPU. NVIDIA с ее архитектурой

Глава 2. Нулевое поколений компьютеров

Первопроходцы

В начале 1940-х годов мир оказался на пороге невидимой революции. Идея автоматической вычислительной машины возникала почти одновременно у нескольких ученых и инженеров, но каждый видел ее по-своему – через призму своей профессии, характера и культурной среды. Каждый проект отражал личность создателя и дух времени, а вместе они закладывали фундамент новой эры вычислительной техники.

В Германии Конрад Цузе работал почти в одиночку в Берлине. Его Z3, созданная в 1941 году, стала первой в мире программируемой цифровой вычислительной машиной, но не электронной. Машина могла работать с числами с плавающей точкой, память и вычислительные блоки были четко разделены, а архитектура отличалась строгой логикой. В подходе Цузе ощущалась немецкая педантичность: точность, порядок и надежность были для него неотъемлемой частью инженерного творчества.

В это же время в США физик Джон Атанасов в Университете Айовы разрабатывал машину для решения систем линейных уравнений. Его Atanasoff—Berry Computer (ABC) впервые использовал двоичную арифметику, вакуумные лампы и электрическую память на конденсаторах. Машина была рациональной и прагматичной, как ее создатель, сосредоточенный на эффективности и функциональности, не универсальной.

В Bell Labs, Джордж Стибиц создавал свои прототипы на кухне собственного дома. Его калькулятор Model K и последующий Complex Number Calculator открыли новую идею – управление машиной на расстоянии через телеграф. Стибиц видел компьютер не только как инструмент расчетов, но и как средство связи, предвосхитив сетевое взаимодействие задолго до появления интернета.

В Гарварде Джордж Айкен создавал машины как инструмент мышления. Harvard Mark I (ASCC), завершенная совместно с IBM в 1944 году, работала медленно, но стабильно, управляясь программой с перфоленты и обрабатывая числа с плавающей точкой. Для Айкена компьютер был продолжением интеллекта математика – инструментом, с помощью которого абстрактные формулы превращались в реальные результаты.

По заказу армии США Джон Эккерт и Джон Моукли построили ENIAC – машину, которая занимала целый зал. Она была универсальной и мощной, хотя не программировалась «внутри». ENIAC отражал возможности индустрии и государства, демонстрируя масштаб коллективного инженерного труда и практическую ориентацию вычислительной техники.

Ванневар Буш создавал свой гигантский Differential Analyzer, длиной десять метров, предназначенный для численного решения дифференциальных уравнений. Машина сочетала инженерную изобретательность с практическими потребностями физиков, инженеров и баллистиков. Для Буша вычислитель был не просто механизмом, а инструментом расширения человеческого разума.

Каждая из этих машин и каждый из этих инженеров были по-своему первопроходцами. Их подходы отличались, их задачи были разными, но объединяла одно – стремление расширить возможности человеческого интеллекта и превратить абстрактную мысль в рабочую, осязаемую машину. Именно их усилия создали фундамент, на котором выросла современная вычислительная техника.

Великолепная семерка

ABC – машина, воскресшая по суду

О брошенной своим создателем по причине ухода в армию машине ABC никто бы, возможно, и не вспомнил, если бы в 1971 году она неожиданно не оказалась в центре скандального судебного процесса. Компания Sperry Rand, в ту пору производитель мэйнфреймов UNIVAC, обвинила своего конкурента Honeywell в якобы имевшем место нарушении патента на электронный компьютер. Этот патент прежде принадлежал Джону Моукли и Пресперу Эккерту, заявку они подали еще в 1947 году, но официально документ выдали только в 1964-м, но еще в 1950 году права вместе с фирмой Eckert—Mauchly Computer Corporation перешли к Sperry Rand.

Honeywell стала ключевым ответчиком, потому что она публично отказалась платить лицензионные отчисления, в то время как остальные компании также игнорировали патент, но делали это тихо, не бросая прямого вызова Sperry Rand.

Процесс длился почти два с половиной года. В нем адвокаты Honeywell выбрали необычную стратегию, не оспаривая факта нарушения, они сосредоточились на доказательстве недействительности собственно самого патента. В качестве главного аргумента они извлекли из забвения Atanasoff—Berry Computer и представили его как первый в мире электронный цифровой вычислитель. Если это признать, то приоритет изобретения принадлежит Джону Атанасову, а Моукли, как утверждала защита, недобросовестно воспользовался его идеями.

Аргументация выглядела спорной, но судья Эрл Ларсон неожиданно и, прямо говоря, вопреки логике принял ее. В 1973 году он вынес историческое решение: патент Моукли и Эккерта был признан недействительным, но он и не перешел к Атанасову, а был передан в общественное достояние (public domain).

Особую роль в формировании образа незаслуженно обиженного Атанасова сыграли супруги Артур и Элис Буркс. Артур участвовал в разработке ENIAC, а позже на пару с Элис они посвятили себя историческим исследованиям. Их книга «Кто изобрел компьютер. Процесс, изменивший компьютерную историю» (1996) активно утверждает первенство Атанасова. Со временем многие историки посчитали такой взгляд чрезмерно ангажированным. Ассоциация вычислительной техники (ACM) и ряд независимых исследователей отмечали, что решение суда могло быть несправедливым по отношению к Моукли и Эккерту.

Но самое громкое эхо прозвучало не в США, а в Болгарии. Там Атанасова провозгласили национальным героем, была учреждена президентская премия John Atanasoff Award, десятки школ и улиц получили его имя, даже астероид с номером 3546 получил имя Atanasoff. Ирония заключалась в том, что сам Атанасов не считал себя связанным с исторической родиной, он родился и прожил всю жизнь в США, не говорил по-болгарски и не имел болгарского гражданства. Это классический пример национальной героизации представителей диаспоры, можно привести множество примеров, когда страна с охотой присваивает себе заслуги человека, добившегося мирового признания, практически не имея к исторической родине прямого отношения.

Джон Атанасов родился в 1903 году. Его отец, болгарский эмигрант, сменил фамилию Atanasov на Atanasoff, а мать преподавала математику. В 1921 году Джон поступил в Университет штата Флорида, получил образование по электротехнике и затем защитил докторскую диссертацию по теоретической физике. В своей научной работе он постоянно сталкивался с механическими счетными машинами – арифмометрами Monroe и табуляторами IBM, и был недоволен их функциональной ограниченностью.

Поэтому для начала 1936 году ученый построил небольшой аналоговый вычислитель Laplaciometer для анализа поверхностей, но искал более универсальное решение. По воспоминаниям, вдохновение к созданию ABC пришло к нему после ночной автомобильной поездки и беседы за бокалом виски. Именно тогда он сформулировал четыре принципа будущей машины:

• она должна быть электронной;

• работать в двоичной системе;

• использовать конденсаторную память с регенерацией;

• основываться на логических арифметических операциях.

При поддержке Университета штата Айова Атанасов получил грант в сумме 650 долларов и привлек к сотрудничеству аспиранта Клиффорда Берри. К концу 1939 года они построили прототип ABC.

С началом Второй мировой войны Атанасов и Берри оказались заняты оборонными проектами, а их машина заброшенной и частично разобранной. Атанасов больше к ней не возвращался, лишь в ходе судебного процесса против Honeywell ABC вновь была извлечена из забвения, и создатель рассказал о своей работе.

Технически ABC была необычной. В ней использовалась регенеративная память на конденсаторах, рассчитанная примерно на 300 чисел или команд. Арифметическое устройство оперировало векторами данных, что сближало ее с более поздними векторными машинами. Программы и данные хранились раздельно – по сути, это был один из ранних примеров реализации гарвардской архитектуры. Машина была сравнительно компактной (размером с письменный стол) и потребляла около 1 кВт энергии.

До нашего времени от оригинала сохранились описания и фрагменты памяти. По ним в 1990-е годы в Айовском университете была построена рабочая реплика.

По итогам процесса Атанасов не получил коммерческой выгоды от своего изобретения. Он продолжал работать в университетах, выступал на конференциях и позже охотно ездил в Болгарию. Его вклад был признан лишь исторически.

История ABC – это не рассказ о краже идей, а пример того, как новые замыслы циркулируют в научном сообществе и влияют друг на друга. Машина Атанасова и Берри стала одной из вех на пути к современным компьютерам.

Компьютеры на телефонных реле

В условиях фашистской Германии Конрад Цузе создавал свои вычислительные машины в полной изоляции от остального мира. Пока в США и Великобритании активно разрабатывали электронные компьютеры, он работал без доступа к зарубежным публикациям и научным контактам. Эта «информационная блокада» сделала его достижения по-настоящему уникальными.

Родившийся в 1910 году в Берлине, Цузе поначалу увлекался живописью и архитектурой. В 1935 году стал инженером-проектировщиком в авиационной фирме Heinkel, где столкнулся с громоздкими ручными расчетами и задумался о создании автоматической вычислительной машины. В 1936 году он сформулировал главный принцип: вычислитель должен преобразовывать одну спецификацию в другую по заданным правилам. В 1943 году он даже дал собственное определение компьютинга – «получение новой спецификации на основании старой и предписаний».

Первая машина Цузе, Z1, была построена в 1938 году. Она представляла собой программируемый механический двоичный компьютер, где арифметические и логические операции выполнялись приспособлениями, изготовленными из металлических пластин. Память вмещала 64 слова по 22 бита, программы считывались с перфоленты. Машина работала нестабильно, но уже здесь проявилось инженерное новаторство Цузе.

В 1940 году Цузе построил Z2, электромеханический компьютер на телефонных реле. В 1941 году появилась Z3 – полноценный программируемый цифровой компьютер на 2600 реле. Позднее было доказано, что Z3 обладала всеми свойствами тьюринг-полной машины. Во время войны Цузе работал над Z4, которая была завершена в 1945 году и позже вывезена в Швейцарию. В 1950 году Z4 заработала в Цюрихском политехникуме (ETH Zürich) и стала первой коммерчески используемой вычислительной машиной в Европе, работая до середины 1950-х годов.

Параллельно, в 1942–1946 годах, Цузе разработал проект языка Plankalkül («план вычислений») – первого в истории формального языка программирования для записи алгоритмов. Его идеи опередили свое время на десятилетия, но публикация состоялась лишь в 1972 году, а практическая реализация появилась в 1970–1980-х.

В 1940 году Цузе основал фирму Zuse Apparatebau, но в 1945-м ее здания были уничтожены бомбежкой. В 1949 году он создал компанию Zuse KG, первую компьютерную фирму в Германии. Z4 стала основой для дальнейших разработок: появились релейные Z5 и Z11 (последняя оказалась успешной в университетах и геодезии). К середине 1950-х стало ясно, что механические и релейные системы исчерпали себя, и Цузе перешел на электронику, выпустив ламповую Z22, а затем транзисторные Z23 и Z31.

В 1967 году Siemens приобрел Zuse KG, а ее основатель отошел от бизнеса. Оставив индустрию, Цузе занимался различными проектами: интересовался ветряными двигателями, теорией сетей Петри и вновь вернулся к живописи. В 1980-е годы он даже выставлялся под псевдонимом Kuno See, сочетая инженерию и искусство.

Сегодня заслуги Конрада Цузе признаются как один из основополагающих вкладов в развитии вычислительной техники. В условиях политической изоляции ему удалось создать целое семейство машин, заметно предвосхитивших мировое развитие, а Plankalkül стал предвестником современных языков программирования. Цузе остался в истории как изобретатель, который почти в одиночку и в тени войны открыл свою дорогу к цифровой эпохе.

Калькулятор с дистанционным доступом

Имя Джорджа Стибица сегодня известно гораздо меньше, чем других первопроходцев компьютерной эры. Он открыл два направления, без которых трудно представить современную информатику: релейную вычислительную технику и концепцию удаленного доступа к компьютеру.

В 1930-е годы Стибиц работал в Bell Labs, где параллельно с Клодом Шенноном занимался применением булевой алгебры. Их пути разошлись: Шеннон ушел в теорию информации, а Стибиц – в практическую автоматизацию вычислений. Оба заложили фундамент «цифровой революции», но Стибиц пошел по пути инженерной реализации и доказательства работоспособности идей на практике.

Первый прототип релейного калькулятора Стибиц собрал в 1937 го на собственной кухне. Для конструкции использовались подручные материалы: лампочка от сигнального фонаря, звонок и выключатель от дверного звонка. Машина получила шуточное название Model K (от kitchen – кухня). Лампочка моргала при работе, а звонок сигнализировал о завершении вычисления. Этот скромный эксперимент стал началом целого направления. Сегодня Model K хранится в Смитсоновском институте.

В 1940 году в Bell Labs Стибиц создал первый настоящий релейный калькулятор – Complex Number Calculator (Model I). Машина насчитывала около 450 телефонных реле и имела несколько принципиально новых особенностей:

• ввод и вывод осуществлялся через телетайпы;

• данные представлялись в двоично-десятичной форме;

• к машине можно было подключать несколько удаленных терминалов;

• отдельные арифметические блоки обрабатывали одновременно реальную и мнимую часть комплексного числа.

11 сентября 1940 года Стибиц организовал первую в истории демонстрацию удаленного доступа: терминалы, установленные в Дартмутском колледже (Нью-Гэмпшир), связывались по телефонной линии с калькулятором в Bell Labs в Нью-Йорке. По сути, это был прообраз будущих компьютерных сетей и удаленных вычислений.

Model I предназначался для расчетов с комплексными числами. Несмотря на то, что одна операция занимала до 30 секунд, машина исправно работала почти девять лет – с 1940 по 1949 год. Это демонстрировало не только надежность релейной техники, но и эффективность инженерной мысли Стибица.

Джордж Стибиц вошел в историю как человек, впервые связавший вычислитель с удаленным терминалом и продемонстрировавший возможности релейной автоматики. Он доказал, что надежные цифровые вычисления возможны даже без электронных компонентов, а его демонстрация 1940 года стала первым шагом к будущим компьютерным сетям, послужив вдохновением для последующих проектов в ARPANET и системах удаленного доступа.

Harvard Mark I

Машина Harvard Mark I выпадает из ряда остальных машин нулевого поколения – она осталась в истории как пример утопического гигантизма. В истории технологий есть особые моменты, когда грандиозные замыслы выходят за пределы чисто утилитарного и становятся символами эпохи, почти мифами – монументами человеческой дерзости и мечты. Они демонстрируют дух времени, когда технологии не просто решали задачи, а становились олицетворением веры в безграничные возможности. Среди таких проектов:

• Titanic – символ индустриального оптимизма начала XX века, попытка создать непотопляемое чудо инженерии;

• Hindenburg – воздушный гигант эпохи дирижаблей, метафора мечты и опасности утопического гигантизма;

• Spruce Goose (H-4 Hercules) – деревянный гигант, символ технической дерзости и почти утопической амбиции.

Эпоха гигантских проектов завершилась. Сегодня величие измеряется точностью, скоростью и универсальностью, а не размером и сложностью. Но память о тех легендарных машинах живет – это памятники дерзости и мечты, уроки о границах возможностей и цене амбиций.

Два Говарда: Эйкен и Хьюз

В 1940-е годы жили два человека по имени Говард, создавшие машины-гиганты. Говард Хьюз построил деревянный летающий монстр Spruce Goose, а Говард Эйкен – гигантский вычислитель Harvard Mark I. Машины были совершенно разными: одна из дерева и воли, другая из металла и логики. Но обе стали символами эпохи, созданными не столько для использования, сколько как доказательство человеческой дерзости. Обе пережили своих создателей: Mark I теперь экспонируется в музее Гарвардского университета, Hercules – в Авиационном музее в Мак-Минвилле.

Идея Harvard Mark I напрямую восходит к Чарльзу Бэббиджу и его Analytical Engine. Хотя между ними лежит почти столетие, между ними прослеживается удивительная идейная преемственность. Эйкен наткнулся на труды Бэббиджа и почувствовал себя завершающим то, что тот начал. В предисловии к отчету о Mark I (1944) Эйкен называет Бэббиджа «первооткрывателем современной вычислительной машины» и посвящает ему свою работу.

Конструкция и технические характеристики

Mark I строилась на электромеханических реле, двигателях и роторах. Она могла выполнять арифметические операции, читать команды с бумажной ленты и следовать программе без вмешательства человека. В этом смысле функциональная модель Mark I повторяет замысел Бэббиджа: автоматическое исполнение сложных вычислений.

Практическое конструирование началось в 1939 году, а в январе 1943 ASCC (Automatic Sequence Controlled Calculator) выполнила первую тестовую программу. Машина имела:

• длину 15,5 м, высоту 2,4 м, глубину 0,6 м;

• вес 35 тонн, потребляемую мощность 25 кВт;

• 765 тыс. деталей и около 800 км проводов.

Числа хранились в регистрах из 10-зубчатых колес (24 колеса на регистр) с механизмом сквозного переноса десятков. Сложение занимало 0,3 секунды, умножение – 6 секунд, деление – 15 секунд, извлечение квадратного корня – около минуты. Главное достоинство – программирование последовательности действий, что стало революцией.

Mark I использовалась для баллистических таблиц, навигации и артиллерийских расчетов. После Mark I появились Mark II и Mark III, но вскоре на сцену вышли электронные компьютеры: ENIAC, EDVAC, UNIVAC, IBM 701, вытеснив электромеханику.

Первые «леди программирования»

Mark I стала первой программируемой машиной, а первую программу для нее написала Грейс Хоппер. В 1940 году Хоппер поступила на службу в Вооруженные силы США и стала третьим программистом Mark I в Бюро артиллерийских вычислительных проектов при Гарварде.

Однажды машина вышла из строя, и причина оказалась забавной: между контактами реле застрял мотылек. Его приклеили в журнал с подписью «First actual case of bug being found». Так родился термин bug и практический debugging.

После войны Хоппер создала первый компилятор, стояла у истоков COBOL, получила звание контр-адмирала и прозвище «бабушка COBOL».

Если Бэббидж был пророком, видевшим возможности вычислений в пространстве идей, Хоппер была строителем: она воплощала идеи в реальные программы, делая машины понятными человеку. Лавлейс предвидела, Хоппер создавала. Вместе они символизируют становление программирования как науки и искусства.

Наследник Аналитической машины Бэббиджа

Среди создателей машин нулевого поколения одной из ярких фигур был Ванневар Буш. Его знаменитый дифференциальный анализатор – лишь часть его деятельности. Буш сочетал научный талант, инженерное мышление и организаторские способности, что позволило ему создать модели управления крупными научными проектами и в итоге подготовить основу для будущего развития вычислительной техники и Интернета.

• В Буше сочетались три ключевых качества:

• Крупный академический ученый и преподаватель;

• Универсальный инженер с масштабным видением;

• Искусный организатор и администратор.

Даже после выхода на пенсию он продолжал работать с инженерными проектами, например, изготавливая уникальные хирургические инструменты.

До Второй мировой войны Буш преподавал в MIT, был деканом и занимался научной работой. В 1940 году президент Рузвельт пригласил его в администрацию в качестве научного советника. Буш организовывал работу ученых и инженеров, включая многих европейских эмигрантов, в рамках американского военно-промышленного комплекса. Его действия способствовали продвижению США на передовые позиции в науке и технике.

Буш осознал необходимость использования высоких технологий в военной индустрии и сумел преодолеть сопротивление как со стороны консервативных военных, так и со стороны европейских ученых-эмигрантов, направив их усилия на практическое применение науки в обороне. Его вклад в организацию научной работы был настолько значительным, что его прозвали «царем американской науки» – за участие в Манхэттенском проекте и руководство рядом оборонных исследований.

Первая версия дифференциального анализатора была создана в 1931 году в MIT. Машина решала дифференциальные уравнения, что являлось ключевым инструментом для баллистики, электротехники и других прикладных дисциплин. Анализатор Буша стал связующим звеном между разностной машиной Бэббиджа и интегратором Кельвина, объединив автоматическое решение задач и физическое непрерывное вычисление. Машина стала универсальной платформой для моделирования реального мира.

Конструкция включала:

• шесть механических интеграторов с вращающимися дисками и колесами;

• координатные передатчики для задания входных функций и считывания результатов;

• цепи шкивов, валов и дифференциальных механизмов для передачи вращения между блоками;

• электромоторы и системы обратной связи для стабилизации работы;

• панель настройки для задания структуры уравнения.

Машина была аналоговой: вместо чисел использовались физические величины – углы, скорость вращения, линейные смещения. Решение уравнения воспроизводилось как динамический процесс, а результаты записывались на самописце или считывались оператором.

Дифференциальный анализатор породил небольшое семейство аналогичных машин. Оригинал, построенный Бушем совместно с Гарольдом Хейзеном, стал прототипом модификаций в Пенсильванском университете (1935), которые повлияли на будущих создателей ENIAC – Моукли и Эккерта. Военные версии использовались для расчета баллистических таблиц в Абердинской Баллистической лаборатории. Копии и модификации машин появились в университетах Манчестера, Оксфорда, Кембриджа, Торонто, а в Великобритании один анализатор применял Алан Тьюринг при ранних экспериментах с вычислительными моделями.

Дифференциальный анализатор Буша стал не только инженерным проектом, но и организационным и концептуальным мостом к цифровой эпохе, демонстрируя, как научное видение может быть преобразовано в практический инструмент инженерии и обороны.

ENIAC – в одном шаге от настоящего компьютера

До настоящего компьютера оставался один шаг – и он был сделан с появлением ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Название машины отражало ее переходный характер и особенности понимания идеи компьютера в 1940-х: