История электронных компьютеров

Инженеры компании Digital Equipment Corporation хотели доказать, что вычислительная техника может быть не только монстром для оборонных заказов, но и инструментом для исследователя. PDP-1 стоил около 120 тысяч долларов – по меркам ЭВМ это было дешево. Поэтому он стал доступен университетам, небольшим фирмам и лабораториям.

Но главное – PDP-1 оказался первым компьютером, с которым можно было работать вживую. В то время как на больших машинах задания обычно подавались пачками перфокарт и ответ приходилось ждать часами, здесь можно было сидеть за пультом и видеть реакцию машины мгновенно.

Так родилась новая культура – культура людей, которым хотелось не только «сдать задачу в вычислительный центр», но и самим играть с машиной, исследовать ее возможности, пробовать невозможное. Позднее таких людей назовут «хакерами» – не в сегодняшнем смысле, а как энтузиастов, влюбленных в компьютеры.

На PDP-1 они создали первые программы для компьютерной графики, музыкальные эксперименты и даже игру – знаменитую Spacewar! (1962). На экране, напоминающем осциллограф, крутились космические корабли и стреляли друг в друга – для того времени это было чудом, почти фантастикой.

PDP-1 навсегда вошел в историю как компьютер, который показал: вычислительная машина может быть инструментом творчества, а не только строгим счетчиком чисел.

Мэйнфреймы второго поколения

На пару лет позже, в конце 1950-х появились и мэйнфреймы второго поколения – универсальных машин, предназначенных для решения широкого круга задач.

Само слово мэйнфрейм (от англ. main frame – «основная рама») изначально не обозначало тип компьютера. Так называли металлический шкаф, в котором размещались основные модули машины. Однако с течением времени этот термин стал нарицательным: так начали называть все большие универсальные компьютеры, обслуживавшие десятки и сотни пользователей. Они стали символом эпохи централизованных вычислений – от научных центров до банков и министерств.

Мэйнфрейм – это не просто большой компьютер. Это сложный вычислительный комплекс, рассчитанный на интенсивную эксплуатацию, зачастую круглосуточную. Он включал центральное устройство, модули памяти, блоки ввода-вывода, а также периферийные устройства – устройства чтения перфокарт, магнитные ленты, печатающие устройства. Управление происходило не интерактивно, а в пакетном режиме, пакеты, включавшие задания, программы и данные. подготавливали на перфокартах, а затем запускали одно за другим.

По сравнению с первыми машинами, мэйнфреймы второго поколения обладали заметно большей надежностью, высокой скоростью работы (сотни тысяч операций в секунду) и расширенными возможностями для хранения и обработки данных. Объем оперативной памяти составлял от нескольких до десятков тысяч слов (чаще всего 36-битных), в качестве постоянной памяти использовались магнитные ленты и барабаны, позже – диски.

Основные области применения мэйнфреймов второго поколения: в науке для численных расчетов, при проектировании авиационной и космической техники, в промышленности для планирования производства, расчета нагрузок, автоматизации управления технологическими процессами. И разумеется, в оборонной сфере – для моделирования разного рода атак, дл расчета баллистических траекторий, для обработки данных с радаров и создания систем автоматического управления. На Западе, особенно в США, со второго поколения началось внедрение мэйнфреймов и в деловой сфере – банки, страховые компании, крупные торговые сети.

Мэйнфреймы как отдельная ветвь эволюции

Поначалу мэйнфреймы не выделялись как особый класс машин. Это были просто самые большие, мощные и дорогие компьютеры, предназначенные для сложных расчетов и обслуживания крупных организаций. Однако уже в конце 1960-х годов стало ясно: мэйнфреймы пошли по собственному пути развития, отличному от остальных ветвей компьютерной техники.

В отличие от будущих мини-компьютеров, ориентированных на локальные задачи, или персональных ЭВМ, рассчитанных на индивидуального пользователя, мэйнфреймы продолжали развиваться как машины коллективного, массового обслуживания. Их главными чертами стали:

• Централизация ресурсов: один мощный компьютер обслуживал десятки или сотни терминалов.

• Надежность и отказоустойчивость: мэйнфреймы проектировались для работы круглосуточно и без выходных, с резервированием критических узлов.

• Масштабируемость: систему можно было расширять и наращивать по мере роста потребностей.

• Управляемость: сложные диспетчерские механизмы, контроль доступа и планирование загрузки задач.

На базе этих требований возникла особая операционная среда – сначала OS/360, затем MVS, а позже – z/OS. Появились собственные подходы к программированию, администрированию, построению сетей и защите данных. Так, уже в 1970-е годы мэйнфреймы стали не просто техникой, а целой экосистемой с собственными языками, стандартами и профессиональными сообществами.

IBM и «семь гномов»: история о доминировании

Во времена второго поколения на рынке США сформировалась четкая иерархия производителей. Главной силой была IBM, державшая в своих руках до 70 % мирового рынка вычислительной техники. На рынке вычислительной техники США сформировался интересный феномен, получивший полушутливое название «семь гномов». Под этим прозвищем объединяли семь компаний, конкурировавших с IBM: Burroughs, Control Data Corporation (CDC), General Electric (GE), Honeywell, NCR, RCA и UNIVAC (часто вместе с Sperry Rand). Иногда в список включали Philco, Raytheon или Digital Equipment Corporation (DEC).

Название возникло из маркетингового фольклора и подчеркивало монополистическое превосходство IBM: компания контролировала диктовала стандарты и правила, а конкуренты, несмотря на свои технологические достижения, выглядели «мелкими» на ее фоне. Каждая из компаний-гномов занимала свою нишу: например, DEC была новатором в мини-компьютерах, CDC – в суперкомпьютерах, NCR – в системах автоматизации кассовых операций, Honeywell – во встроенных и авиационных системах. Ни одна из них не могла бросить серьезный вызов IBM на массовом рынке.

К началу 1980-х многие «гномы» либо были поглощены (например, Burroughs и Sperry Rand в Unisys), либо ушли в смежные области: GE сосредоточилась на промышленной автоматике, NCR – на кассовых системах, Honeywell – на авиации и безопасности.

Этот феномен имеет прямую историческую параллель в современной цифровой экономике. Акроним FAANG (Facebook/Meta, Apple, Amazon, Netflix, Google/Alphabet) описывает несколько гигантских технологических компаний, вокруг которых строится вся остальная экосистема стартапов и более мелких игроков. Например, стартапы вроде Snap (создатели Snapchat) или Spotify вынуждены интегрироваться в экосистему Google и Apple, используя их платформы для распространения и монетизации. Аналогично, в эпоху «семи гномов» стартапы и малые фирмы вроде DEC создавали технологические новшества, но их рыночная мощь была ограничена масштабами IBM.

Таким образом, «семь гномов» и FAANG – это разные эпохи одной и той же закономерности: технологические гиганты формируют рынок, концентрируют влияние и создают среду, в которой остальные участники обречены быть малыми или нишевыми игроками, пока не удается создать альтернативную платформу или интегрироваться в экосистему.

Как IBM подавила конкурентов

Масштаб производства и агрессивная ценовая политика: IBM могла позволить себе продавать машины дешевле себестоимости (или с очень низкой наценкой), зная, что окупится на сопровождении, аренде и программном обеспечении. Малые фирмы просто не выдерживали этой конкуренции.

• Доминирование в бизнесе и государственном секторе: IBM первой активно продвигала мэйнфреймы в корпоративную среду – банки, страхование, производство. Эти отрасли «прилипли» к экосистеме IBM, и конкуренты уже не могли войти в эти ниши.

• Вертикальная интеграция: Компания контролировала весь цикл – от аппаратной части до программного обеспечения и сервисного обслуживания. Это обеспечивало надежность и совместимость, что особенно ценила бизнес-аудитория.

• Маркетинг и обучение: IBM вкладывалась в подготовку специалистов, создавала учебные курсы, методические материалы и даже финансировала кафедры в университетах. Это создавало лояльную базу кадров, которые с самого начала ориентировались на IBM.

• Модель аренды, а не продажи: Клиенты не покупали машины – они арендовали их, и тем самым попадали в зависимость от обновлений, обслуживания и программного обеспечения IBM. Это создавало эффект «замкнутого круга» и повышало стоимость перехода к конкуренту.

Модель доминирования IBM является примером того, как мощная корпоративная стратегия может задавить даже сильных технических конкурентов. К середине 1960-х годов IBM была не просто производителем ЭВМ – она стала экосистемой, в которую встроилось большинство клиентов, поставщиков и специалистов. Остальные могли существовать лишь как нишевые игроки или экспериментаторы.

Почему мэйнфреймы выжили?

Когда в 1980-е годы появилась волна персональных компьютеров, многие предрекали скорый конец мэйнфреймам. Но они не исчезли – напротив, нашли свою нишу, особенно в таких сферах, где требуются:

• высокая производительность;

• гарантированная надежность;

• долговременное хранение и обработка критических данных (например, банковские транзакции, государственные реестры, телекоммуникации).

Именно поэтому многие из крупнейших банков, авиакомпаний, страховых и государственных учреждений до сих пор используют мэйнфреймы, хотя снаружи это уже совсем не шкафы с лампочками, а современные стойки, порой неотличимые от серверов.

IBM 1401: компьютер, который пришел в офис

В 1959 году компания IBM представила компьютер, которому суждено было стать одной из самых массовых машин второго поколения – IBM 1401. Это был не мощный суперкомпьютер, не машина для ядерных расчетов и не мозг системы ПВО. IBM 1401 была рождена для гораздо более прозаичных задач – обработки платежных ведомостей, расчета налогов, инвентаризации, автоматизации канцелярии. И именно в этом заключалась ее революционность.

В отличие от предшествующих моделей, ориентированных на научные и военные применения, IBM 1401 проектировалась как «компьютер для бизнеса» – не слишком дорогой, достаточно мощный и в то же время понятный пользователю, далекому от программирования. Главным архитектором машины был инженер Фрэнсис Андервуд, работавший в исследовательском центре IBM в городе Покипси, штат Нью-Йорк. Он видел задачу не в том, чтобы создать очередной шедевр вычислительной техники, а в том, чтобы компьютер стал таким же привычным офисным инструментом, как калькулятор или печатная машинка.

Именно простота и доступность сделали IBM 1401 коммерческим успехом. В IBM даже не рассчитывали на большой спрос: изначально предполагалось продать около тысячи машин. Однако реальность превзошла ожидания – было поставлено более десяти тысяч экземпляров, а в некоторые периоды выпуск достигал одной машины в день.

Архитектурно 1401 во многом отличалась от своих «старших» собратьев. Во-первых, она использовала не двоичную, а десятичную логику (BCD – binary-coded decimal), что идеально подходило для обработки чисел в бухгалтерии, а также для хранения текстовых данных. Во-вторых, память имела переменную длину слова, что позволяло экономить ресурсы и эффективно работать с переменными по длине строками. Каждая запись завершалась специальным «маркером слова» (word mark), что упрощало организацию данных.

Машина была ориентирована на обработку символов, строк и таблиц, то есть на то, что сегодня назвали бы текстовой аналитикой. Она легко справлялась с печатью документов, считыванием и сортировкой перфокарт, формированием отчетов. Это был инструмент, который мог понять человек из бухгалтерии – и это было важнее, чем его вычислительная мощность.

Программирование велось на языке Autocoder – это был символический ассемблер, достаточно простой в освоении, с макрооператорами и мнемониками. Позже для IBM 1401 были адаптированы и более «человеческие» языки – COBOL и RPG, рассчитанные на бизнес-аналитиков и операторов, а не на инженеров.

Огромную роль сыграла и техническая политика IBM. Машину можно было арендовать – за сравнительно скромную по тем временам сумму (около 2500 долларов в месяц), с полным пакетом услуг: установкой, обучением, сопровождением. Более того, машина собиралась модульно: заказчик мог выбрать конфигурацию под свои задачи – объем памяти, тип накопителей, количество устройств ввода и вывода. Это делало IBM 1401 невероятно гибким решением, особенно для тех, кто переходил на нее с механических систем.

Большую роль сыграла и совместимость с существующей инфраструктурой: IBM обеспечила полную поддержку стандартных 80-колоночных перфокарт, старых принтеров и табуляторов. Это был не резкий технологический скачок, а аккуратная эволюция, рассчитанная на постепенную цифровизацию офиса.

На практике IBM 1401 использовалась в самых разных организациях – от банков и страховых компаний до железных дорог и госпочты. Она стояла в университетах, на складах, в органах статистики, в корпоративных архивах. Во многих учреждениях это была первая цифровая система, заменившая ряды механических счетных машин и картотек.

Историческое значение IBM 1401 трудно переоценить. Это был компьютер, который впервые массово попал в руки не ученых и не военных, а бухгалтеров, логистов, чиновников. Вокруг него сложилось настоящее сообщество пользователей: появились клубы, курсы, методички, типовые программы. Это была не просто машина – это была экосистема, предвосхитившая то, что десятилетия спустя сделают Apple и Microsoft.

IBM 1401 можно справедливо назвать символом перехода от элитарных вычислений к массовым. Не мощность, а практичность, простота и масштабируемость сделали ее самым успешным коммерческим компьютером своего времени.

Глава 7. Мэйнфреймы – от третьего поколения до наших дней

Компьютеры первого поколения были построены на электронных лампах. Это были исключительно большие машины – мэйнфреймы, занимавшие целые залы. Они потребляли огромное количество электроэнергии, сильно грелись, часто выходили из строя и требовали штата инженеров для обслуживания.

Второе поколение сменило лампы на транзисторы. Благодаря этому компьютеры стали надежнее, быстрее и немного компактнее, но в целом оставались все теми же большими системами – мэйнфреймами. Их по-прежнему устанавливали в вычислительных центрах, научных институтах, банках, на предприятиях.

Третье поколение стало поворотным – с появлением интегральных схем вычислительная техника разделилась на два класса. С одной стороны, продолжали развиваться мощные мэйнфреймы, обслуживавшие крупные организации. С другой – возникли мини-компьютеры: заметно меньшие по размеру и цене, рассчитанные на лаборатории, отделы, университеты. Мини-компьютеры стали промежуточным звеном между большими системами и будущими персональными ЭВМ. Поэтому разделим рассказ о третьем поколении на две главы, одна будет посвящены хорошо известным мэйнфреймам, а другая – новому классу – мини-компьютерам.

Интересно то, что на третьем поколении развитие мэйнфреймов не прекратилось, хотя четвертого уже не было. В последующем примерно с десятилетним интервалом приходили на смену старым новые семейства, но радикально менялось не многое. И это несмотря на то, что с 1980-х годов мэйнфреймы много раз «хоронили» – сначала в пользу мини-компьютеров, затем персональных ПК, позже серверов и облаков, но они, точнее IBM, всякий раз находили способ выживания. Секрет прост: мэйнфреймы постоянно эволюционировали вместе с индустрией. Микроэлектроника, микропроцессоры, виртуализация, современные системы управления базами данных – все это было освоено и встроено в архитектуру мэйнфреймов. Они не остались в прошлом, а шагнули в цифровую эпоху.

В отличие от мэйнфреймов, для мини-компьютеров их поколение фактически стало первым и последним: до появления интегральных схем компактные вычислительные машины просто не существовали, а после этого они быстро эволюционировали в сторону персональных компьютеров нового Эти мини открыли новую нишу – небольшие, относительно дешевые и доступные системы для лабораторий, отделов и предприятий. Хотя сами машины были скромны по размеру и мощности, третье поколение для них было богато событиями: впервые появились интегральные схемы, поддержка операционных систем и стандартизированные архитектуры, что заложило основу будущей компактной вычислительной техники. Им будет посвящена отдельная глава.

Мэйнфреймы третьего поколения

Система IBM System/360 считается классическим представителем третьего поколения компьютеров, прежде всего потому, что она воплотила в себе характерные для этого этапа развития вычислительной техники принципы. Ключевым отличием третьего поколения стало использование интегральных схем вместо отдельных транзисторов, что позволило существенно уменьшить размеры процессоров и модулей памяти, повысить надежность и снизить энергопотребление. В System/360 применялись малые и средние интегральные схемы, благодаря чему инженеры смогли создавать более сложные вычислительные устройства, одновременно обеспечивая стабильность работы и меньшую склонность к отказам.

Помимо аппаратного прогресса, System/360 впервые предложила унифицированную архитектуру, при которой все машины линейки – от самых маленьких моделей для офисов до крупных вычислительных центров. IBM впервые предложила единое семейство совместимых машин – от младших до старших моделей, с одинаковой архитектурой команд (ISA, Instruction Set Architecture). Благодаря этому программы, написанные для одной модели System/360, можно было запускать на другой без переписывания – несомненное преимущество для того времени. Это дало возможность масштабировать мощности без переписывания программ, унифицировать операционные системы и драйверы устройств, а также внедрять многозадачность и виртуальную память. В отличие от машин второго поколения, где каждая система была уникальной, и перенос программ между ними был практически невозможен, System/360 создавала ощущение единой вычислительной экосистемы.

Эта линейка активно использовала высокоуровневые языки программирования, такие как COBOL и FORTRAN, а также первые крупные операционные системы вроде OS/360. Эти системы умели управлять несколькими одновременно выполняемыми задачами, изолировать процессы и координировать работу различных устройств ввода-вывода. Подобный уровень программно-аппаратной интеграции был характерен именно для третьего поколения, когда вычислительная система перестала быть просто набором транзисторов, а стала цельным организмом, состоящим из железа и софта, работающих согласованно.

Кроме того, в System/360 была впервые реализована стандартизация периферийных устройств. Диски, ленточные накопители, терминалы и принтеры могли подключаться ко всем моделям линейки одинаково, без переписывания драйверов и изменения программ. Ранее каждое устройство было уникально и работало только с конкретной машиной, что сильно ограничивало универсальность и масштабируемость.

Таким образом, System/360 воплотила все признаки третьего поколения: она использовала интегральные схемы, предлагала унифицированную архитектуру с совместимым набором команд, поддерживала операционные системы и высокоуровневые языки, а также стандартизировала периферию. Это позволило IBM впервые создать линейку универсальных, масштабируемых и совместимых машин, которые могли работать как отдельные устройства и одновременно формировать единое вычислительное пространство. Именно за эти свойства System/360 историки вычислительной техники относят к третьему поколению.

Рождение IBM System/360

В начале 1960-х IBM столкнулась с критически важной проблемой: компания выпускала множество отдельных моделей компьютеров с несовместимыми архитектурами и программным обеспечением. Клиентам приходилось переписывать программы при переходе на более мощные машины, а поддержка каждой модели обходилась дорого.

Для выхода из положения было решено объединить разнообразные вычислительные системы в единый стандарт, который позволял бы масштабировать мощности без переписывания программ. Стратегическая инициатива исходила от Томаса Уотсона-младшего, который видел необходимость рационализировать продуктовую линейку и обеспечить конкурентоспособность компании. Однако конкретная архитектурная концепция, набор инструкций, стандарты совместимости, операционные системы и проект периферийных устройств создавались и вырабатывались командой инженеров, ученых и архитекторов:

• Фред Брайант и его группа архитекторов отвечали за совместимость моделей;

• Джон Бэкус и другие специалисты разрабатывали стандарты программирования и набор инструкций;

• Десятки инженеров, математиков и экспертов по периферийным устройствам работали над масштабируемостью, надежностью и многопользовательской архитектурой.

Замысел состоял в том, чтобы построить архитектуру, способную покрыть весь рынок вычислительных машин. Это и нашло отражение в названии System/360 – намеке на полный охват вычислительного пространства. Линейка стала революцией: единая архитектура, совместимость программ между моделями, общие языки и операционные системы, возможность роста производительности без переписывания кода. Таким образом, System/360 – это продукт командной инженерной работы, в которой стратегическая рамка задавалась руководством, а все технологическое содержание и инновации исходили от инженеров и ученых IBM.

От идеи к железу: реализация System/360

После того как инженеры IBM определили цель – создать единый стандарт, охватывающий весь спектр вычислительных задач, – перед ними встал ряд конкретных проблем:

• Совместимость моделей разного уровня мощности. Команда должна была спроектировать архитектуру так, чтобы программы для «малых» моделей работали на «больших» без изменений. Это потребовало унификации набора инструкций (Instruction Set Architecture, ISA) и стандартов работы с памятью, вводом-выводом и периферией. Фред Брайант и его группа архитекторов разработали единый набор команд, который включал арифметические, логические и управляющие операции, а также инструкции для работы с потоками данных и устройствами.

• Масштабируемость и производительность. В линейке System/360 существовали модели от относительно скромных 360/30 и 360/40 до мощных 360/75 и 360/195. Инженеры использовали модульную конструкцию процессоров, позволяющую добавлять процессоры, расширять память и подключать новые устройства без перепроектирования всей системы. Для этого применялись блоки общей архитектуры, которые могли наращиваться как строительные блоки.

• Управление памятью и виртуализация. Одним из прорывов стало внедрение систем управления памятью и виртуальных адресов. Это позволило запускать несколько программ одновременно (многозадачность) и обеспечивать изоляцию процессов. Работу этих систем проектировали совместно инженеры по аппаратной архитектуре и специалисты по операционным системам.

• Периферийные устройства и стандартизация интерфейсов. Впервые IBM стандартизировала подключение дисковых накопителей, лент, принтеров и терминалов. Это позволяло клиенту без переделки ПО или аппаратуры подключать новое устройство. Команда инженеров по периферии разработала унифицированные интерфейсы и протоколы обмена данными.

• Программная поддержка. Джон Бэкус и группа разработчиков языков программирования создавали стандарты для COBOL, FORTRAN и ассемблера под System/360. Важной задачей было, чтобы программы на высокоуровневых языках корректно работали на всех моделях линейки. Это обеспечивало полную совместимость и минимизировало затраты клиентов на переписывание ПО.

В 1964 году IBM представила 360/30 и 360/40 – малые и средние модели, и 360/65 и 360/75 – более мощные варианты для крупных организаций. В 1965–1966 году линейка расширилась до самых производительных моделей, включая 360/195, способные выполнять миллионы операций в секунду. Каждая модель использовала один набор инструкций, единые стандарты памяти и ввода-вывода, но отличалась производительностью и количеством подключаемых модулей.

Основные трудности при создании IBM System/360

Создание принципиально новой архитектуры было необычайно сложной задачей. Требовалось объединить требования разных типов клиентов: малых и средних предприятий, крупных корпораций и научных центров. Каждая категория имела свои потребности – бизнес нуждался в точных и надежных вычислениях, научные центры – в высокой производительности для сложных расчетов. Объединить все это в единой архитектуре, не ограничивая возможности мощных моделей и не перегружая малые, было инженерным вызовом.