Pilk arvutite ajaloole

Enne elektroonika vanust oli arvutile kõige lähedasem asi abacus, ehkki rangelt öeldes on abacus tegelikult kalkulaator, kuna see nõuab inimeselt operaatorit. Teisalt teostavad arvutid arvutused automaatselt, järgides sisseehitatud käskude seeriat, mida nimetatakse tarkvaraks.

20-s^th sajandil võimaldasid läbimurded tehnoloogias pidevalt arenevaid arvutusmasinaid, millest me nüüd nii täielikult sõltume, ega anna neile praktiliselt kunagi teist mõtet. Kuid isegi enne mikroprotsessorite tulekut ja superarvutid, leidsid mõned silmapaistvad teadlased ja leiutajad, kes aitasid rajada aluse tehnoloogiale, mis on nüüdse elu drastiliselt ümber kujundanud.

Universaalne keel, milles arvutid täidavad protsessori juhiseid, pärinevad 17. sajandist binaarse arvsüsteemi kujul. Arendanud saksa filosoof ja matemaatik Gottfried Wilhelm Leibniz, tekkis süsteem kümnendnumbrite esitamiseks ainult kahekohaliste arvu abil: number null ja number üks. Leibnizi süsteem oli osaliselt inspireeritud filosoofilistest seletustest klassikalises hiina tekstis „Mina Ching ”, mis seletas universumit selliste duaalsuste nagu valguse ja pimeduse ning meessoost ja naine. Kui sel ajal polnud tema äsja kodifitseeritud süsteemil praktilist kasutust, arvas Leibniz, et masin võib kunagi kasutada neid kahendarvude pikki stringe.

1847. aastal tutvustas inglise matemaatik George Boole äsja väljatöötatud artiklit algebraline keel ehitatud Leibnizi teosele. Tema Boolean algebra oli tegelikult loogikasüsteem, matemaatiliste võrranditega, mida kasutati loogika avalduste esitamiseks. Sama oluline oli see, et see kasutas binaarset lähenemisviisi, milles erinevate matemaatiliste suuruste suhe oleks kas tõene või vale, 0 või 1.

Nagu Leibnizi puhul, polnud Boole algebra jaoks sel ajal mingeid ilmseid rakendusi, kuid matemaatik Charles Sanders Pierce veetis aastakümneid süsteemi laiendamisel ja otsustas 1886. aastal, et arvutusi saab teha elektrilülitusega ahelad. Selle tulemusel muutuks Boole'i ​​loogika lõpuks elektrooniliste arvutite kujundamisel oluliseks.

Inglise matemaatik Charles Babbage esimeste mehaaniliste arvutite kokkupaneku eest - vähemalt tehniliselt. Tema 19. sajandi alguse masinatel oli võimalus numbrite, mälu ja protsessori sisestamiseks ning tulemuste väljastamiseks. Babbage nimetas oma esimest katset ehitada maailma esimene arvutusmasin erinevuse mootoriks. Kujundus nõudis masinat, mis arvutaks väärtused ja prindiks tulemused automaatselt a-le laud. See pidi olema käsitsi vändatud ja oleks kaalunud neli tonni. Babbabi laps oli aga kulukas ettevõtmine. Erinevusmootori varases arendamises kulus enam kui 17 000 naelsterlingit. Projekt lammutati lõpuks pärast seda, kui Suurbritannia valitsus katkestas Babbage'i rahastamise 1842. aastal.

See sundis Babbage liikuda edasi teise ideeni, "analüütilise mootori" juurde, mis oli oma eelkäijast ulatuslikum ja mida tuli kasutada pigem üldotstarbeliseks andmetöötluseks kui lihtsalt aritmeetikaks. Kuigi ta ei suutnud kunagi töötavat seadet läbi vaadata ja ehitada, oli Babbage'i kujundus põhimõtteliselt sama loogilise ülesehitusega kui elektroonilised arvutid, mis hakkaksid 20^th sajandil. Analüüsimootoril oli integreeritud mälu - see on teabe salvestamise vorm, mida leidub kõigis arvutites -, mis võimaldab hargnemist või arvuti võimalust käivitada käskude komplekt, mis erineb vaikejada järjekorrast, samuti silmused, mis on käskude jadad, mida korduvalt teostatakse järelkasvu.

Vaatamata ebaõnnestumistele täielikult funktsionaalse arvutusmasina tootmises, jäi Babbage oma ideede elluviimisel kindlalt tajumatuks. Aastatel 1847–1849 koostas ta oma erinevusmootori uue ja täiustatud teise versiooni kavandid. Seekord arvutas ta kuni 30kohalisi komakohti, tegi arvutused kiiremini ja lihtsustati vähem osade nõudmiseks. Siiski ei tundnud Suurbritannia valitsus, et see on nende investeeringut väärt. Lõpuks oli kõige edukam, mida Babbage prototüübi osas eales teinud, valmis seitsmendana tema esimesest disainist.

Sellel varasel infotehnoloogia ajastul olid mõned märkimisväärsed saavutused: loodete ennustamise masin, mille leiutas Šotimaa-Iiri matemaatik, füüsik ja insener Sir William Thomson 1872. aastal, peeti esimeseks kaasaegseks analoogarvutiks. Neli aastat hiljem tuli tema vanem vend James Thomson välja arvuti kontseptsioon, mis lahendas diferentsiaalvõrranditena tuntud matemaatilisi probleeme. Ta nimetas oma seadet integreerivaks masinaks ja hilisematel aastatel oleks see diferentsiaalanalüsaatoritena tuntud süsteemide alus. 1927. aastal alustas ameerika teadlane Vannevar Bush esimese masina nime all väljatöötamist ja avaldas 1931. aastal teadusajakirjas oma uue leiutise kirjelduse.

Kuni 20. alguseni^th sajandil oli andmetöötlus pisut rohkem kui teadlased, kes piiluvad masinate kavandamisel, mis on võimelised tõhusalt teostama mitmesuguseid arvutusi erinevatel eesmärkidel. Alles 1936. aastal viidi lõpuks välja ühtne teooria selle kohta, mis on "üldotstarbeline arvuti" ja kuidas see peaks toimima. Inglise matemaatik Alan Turing avaldas sel aastal paberi pealkirjaga "Arvestuslike numbrite kohta koos rakendusega Entscheidungsproblemile", milles kirjeldas, kuidas “Turingi masinaks” kutsutavat teoreetilist seadet saaks kasutada mis tahes mõeldava matemaatilise arvutuse teostamiseks juhiseid. Teoreetiliselt oleks masinal piiramatu mälu, andmeid lugeda, tulemusi kirjutada ja juhiste programmi salvestada.

Kui Turingi arvuti oli abstraktne mõiste, oli see Saksa insener Konrad Zuse kes jätkaks maailma esimese programmeeritava arvuti ehitamist. Tema esimene katse arendada välja elektrooniline arvuti Z1 oli binaarjuhitav kalkulaator, mis luges juhiseid augustatud 35-millimeetrisest kilest. Tehnoloogia ei olnud aga usaldusväärne, nii et ta järgis seda Z2-ga, sarnase seadmega, mis kasutas elektromehaanilisi releemülitusi. Ehkki täiustus, jõudis Zuse jaoks kokku just tema kolmas mudel. 1941. aastal avalikustatud Z3 oli kiirem, usaldusväärsem ja paremini võimeline keerulisi arvutusi tegema. Suurim erinevus selles kolmandas kehastuses oli see, et juhised salvestati välisele lindile, võimaldades sel seega toimida täielikult töötava programmi juhitavana süsteemina.

Kõige tähelepanuväärsem on see, et Zuse tegi suure osa oma tööst eraldatult. Ta poleks teadnud, et Z3 on "Turing täielik" ehk teisisõnu võimeline lahendama arvutatavaid matemaatilisi probleeme - vähemalt teoorias. Samuti polnud tal teadmisi sarnastest projektidest, mis samal ajal mujal maailmas käimas olid.

Neist tähelepanuväärsemate hulgas oli IBM-i rahastatud Harvard Mark I, mis debüteeris 1944. aastal. Veelgi paljutõotavam oli selliste elektrooniliste süsteemide arendamine nagu Suurbritannia 1943. aasta arvutiprototüüp Colossus ja ENIAC, esimene täielikult töötav elektrooniline üldotstarbeline arvuti, mis võeti kasutusele Pennsylvania ülikoolis 1946. aastal.

ENIAC-projektist tuli järgmine suur hüpe infotehnoloogia valdkonnas. ENIAC projekti osas nõu pidanud ungari matemaatik John Von Neumann pani aluse salvestatud programmiarvutile. Kuni selle ajani töötasid arvutid püsiprogrammide abil ja muutsid nende funktsiooni - näiteks arvutuste tegemisest tekstitöötluseni. See nõudis aeganõudvat protsessi, mille käigus tuleb neid käsitsi ümber kerida ja ümber kujundada. (ENIAC-i ümberprogrammeerimine võttis mitu päeva.) Turing pakkus välja, et ideaalis võimaldaks mällu salvestatud programmi olemasolu arvutil palju kiiremini muuta. Von Neumann oli kontseptsioonist huvitatud ja koostas 1945. aastal aruande, milles esitati üksikasjalikult salvestatud programmide arvutamise teostatav arhitektuur.

Tema avaldatud artiklit levitatakse laialdaselt konkureerivate teadlaste meeskondade vahel, kes töötavad erinevate arvutidisainide kallal. 1948. aastal tutvustas grupp Inglismaal Manchesteri väikesemahulist eksperimentaalmasinat - esimest arvutit, mis käivitas Von Neumanni arhitektuuril põhinevat salvestatud programmi. Mannekeeni masin, hüüdnimega “Baby”, oli eksperimentaalne arvuti, mis oli selle eelkäija Manchester Mark I. EDVAC, arvutidisain, mille jaoks Von Neumanni aruanne algselt mõeldud oli, valmis alles 1949. aastal.

Esimesed kaasaegsed arvutid ei olnud midagi sellist, nagu tarbijate poolt tänapäeval kasutatavad kommertstooted. Need olid keerulised keerulised lepingud, mis sageli võtsid enda alla kogu ruumi. Samuti imasid nad tohutult energiat ja olid kurikuulsalt lollakad. Ja kuna need varased arvutid töötasid suuremahulistes vaakumtorudes, pidid töötlemiskiiruse parandamist loodavad teadlased leidma suuremad ruumid või pakkuma välja alternatiivi.

Õnneks oli seda vajalikku läbimurret juba töödes. 1947. aastal töötas Bell Telephone Laboratories teadlaste rühm välja uue tehnoloogia, mida nimetatakse punkt-kontakttransistoriteks. Nagu vaakumtorud, võimendavad ka transistorid elektrivoolu ja neid saab kasutada lülititena. Veelgi olulisem on see, et need olid palju väiksemad (umbes aspiriini kapsli suurused), usaldusväärsemad ja tarbisid üldiselt palju vähem energiat. Kaaslevitajad John Bardeen, Walter Brattain ja William Shockley saavad lõpuks 1956. aastal Nobeli füüsikapreemia.

Sel ajal kui Bardeen ja Brattain jätkasid uurimistööd, liikusid Shockley edasi transistoritehnoloogia edasiarendamiseks ja turustamiseks. Üks esimesi oma äsja asutatud ettevõtte töötajaid oli elektriinsener Robert Noyce, kes lõpuks lahkus ja moodustas oma ettevõtte Fairchild Semiconductor, mis oli Fairchild Kaamera ja Instrument. Sel ajal otsis Noyce võimalusi transistori ja muude komponentide sujuvaks ühendamiseks üheks integraallülituseks, et välistada protsess, mille käigus tuli neid käsitsi kokku torgata. Mõeldes sarnaselt, Jack Kilby, Texas Instrumentsi insener, esitas kõigepealt patendi. See oli Noyce'i disain siiski laialdaselt kasutusele võetud.

Seal, kus integreeritud vooluahelad avaldasid kõige suuremat mõju, oli tee ettevalmistamine personaalarvutite uuele ajastule. Aja jooksul avas see võimaluse käitada protsesse, mille toiteallikaks on miljonid ahelad - kõik postmargi suurusel mikrokiibil. Põhimõtteliselt on just see võimaldanud kõikjal kasutatavaid käeshoitavaid vidinaid, mida me iga päev kasutame, mis on irooniliselt palju võimsamad kui varaseimad arvutid, mis võtsid terveid ruume.