Datoru vēstures apskats

Pirms elektronikas vecuma datoram vistuvākā lieta bija abaka, lai gan, stingri sakot, abacus faktiski ir kalkulators, jo tas prasa operatoru no cilvēka. Savukārt datori aprēķinus veic automātiski, sekojot iebūvēto komandu sērijai, ko sauc par programmatūru.

20 gados^th gadsimtā, tehnoloģiju sasniegumi ļāva pastāvīgi attīstīties skaitļošanas mašīnām, no kurām mēs tagad esam pilnībā atkarīgi, mēs viņiem praktiski nekad nedomājam par otru. Bet pat pirms parādīšanās mikroprocesori un superdatori, bija daži ievērojami zinātnieki un izgudrotāji, kuri palīdzēja likt pamatus tehnoloģijai, kas kopš tā laika ir krasi pārveidojusi visas mūsdienu dzīves šķautnes.

Universālā valoda, kurā datori veic procesora instrukcijas, radās 17. gadsimtā binārās skaitliskās sistēmas veidā. Izstrādājis vācu filozofs un matemātiķis Gotfrīds Vilhelms Leibnizs, sistēma radās kā veids, kā attēlot decimālos skaitļus, izmantojot tikai divus ciparus: cipars nulle un cipars. Leibnica sistēmu daļēji iedvesmoja filozofiski skaidrojumi klasiskajā ķīniešu tekstā “Es Čings ”, kas izskaidroja Visumu ar tādām divējādībām kā gaisma un tumsība un vīriešu un sieviete. Kaut arī viņa tikko kodificētajai sistēmai tajā laikā nebija praktiska pielietojuma, Leibnizs uzskatīja, ka kādreiz mašīna varēja izmantot šīs garās bināro skaitļu virknes.

1847. gadā angļu matemātiķis Džordžs Būls ieviesa nesen izstrādātu algebriskā valoda uzcelta uz Leibnica darbu. Viņa “Būla algebra” faktiski bija loģikas sistēma ar matemātiskiem vienādojumiem, kas izmantoti, lai attēlotu paziņojumus loģikā. Tikpat svarīgi bija tas, ka tajā tika izmantota binārā pieeja, kurā attiecība starp dažādiem matemātiskajiem lielumiem būtu vai nu patiesa, vai nepatiesa, 0 vai 1.

Tāpat kā Leibnica gadījumā, Būla algebrai nebija acīmredzamu pielietojumu, tomēr matemātiķis Čārlzs Sanderss Pīrss gadu desmitiem pavadot, paplašinot sistēmu, un 1886. gadā noteica, ka aprēķinus var veikt ar elektriskās komutācijas palīdzību shēmas. Tā rezultātā Būla loģika galu galā kļūtu par nozīmīgu instrumentu elektronisko datoru projektēšanā.

Angļu matemātiķis Kārlis Babbage tiek kreditēts par to, ka ir samontēti pirmie mehāniskie datori - vismaz tehniski runājot. Viņa 19. gadsimta sākuma mašīnās bija veids, kā ievadīt ciparus, atmiņu un procesoru, kā arī veids, kā izvadīt rezultātus. Savu sākotnējo mēģinājumu pasaules pirmo skaitļošanas mašīnu Babbags sauca par “starpības motoru”. Dizains prasīja mašīnu, kas aprēķināja vērtības un automātiski izdrukāja rezultātus uz a tabula. Tam bija jābūt ar kloķi un tas būtu svēris četras tonnas. Bet Babbage bērniņš bija dārgs darbs. Vairāk nekā £ 17 000 sterliņu mārciņu tika iztērēti atšķirības dzinēja agrīnai izstrādei. Galu galā projekts tika nodots metāllūžņos pēc tam, kad Lielbritānijas valdība 1842. gadā pārtrauca Babbage finansējumu.

Tas piespieda Babbage pāriet pie citas idejas, “analītiskā dzinēja”, kura darbības joma bija daudz vērienīgāka nekā tā priekšgājēja un kuru bija paredzēts izmantot vispārējas nozīmes skaitļošanai, nevis tikai aritmētikai. Kaut arī viņš nekad nav varējis izsekot un izveidot darboties spējīgu ierīci, Babbage dizainam būtībā bija tāda pati loģiskā struktūra kā elektroniskajiem datoriem, kas tiks izmantoti 20^th gadsimtā. Analītiskajam dzinējam bija integrēta atmiņa - informācijas glabāšanas veids, kas atrodams visos datoros -, kas ļauj sazaroties vai arī dators var izpildīt instrukciju kopu, kas atšķiras no noklusējuma secības secības, kā arī cilpas, kas ir instrukciju secība, kas atkārtoti izpildīta pēctecība.

Neskatoties uz neveiksmēm, lai saražotu pilnībā funkcionējošu skaitļošanas mašīnu, Babbage neatlaidīgi palika bez ievērības, īstenojot savas idejas. Laikā no 1847. līdz 1849. gadam viņš izstrādāja sava atšķirības dzinēja jaunas un uzlabotas otrās versijas dizainus. Šoreiz tā aprēķināja decimāldaļas līdz 30 cipariem, veica aprēķinus ātrāk un tika vienkāršota, lai prasītu mazāk detaļu. Tomēr Lielbritānijas valdība neuzskatīja, ka ir vērts viņu ieguldījums. Rezultātā vislielākais progress, ko Babbage jebkad ir darījis, izmantojot prototipu, bija viena septītā daļa no viņa pirmā dizaina izstrādes.

Šajā agrīnajā skaitļošanas laikmetā bija daži vērā ņemami sasniegumi: plūdmaiņu prognozēšanas mašīna, kuru 1872. gadā izgudroja skotu-īru matemātiķis, fiziķis un inženieris sers Viljams Thomsons, uzskatīja par pirmo moderno analogo datoru. Četrus gadus vēlāk viņa vecākais brālis Džeimss Thomsons nāca klajā ar datora koncepciju, kas atrisināja matemātiskas problēmas, kas pazīstamas kā diferenciālvienādojumi. Viņš savu ierīci sauca par “integrējošu mašīnu”, un vēlākos gados tā kalpos par pamatu sistēmām, kas pazīstamas kā diferenciālie analizatori. 1927. gadā amerikāņu zinātnieks Vannevars Bušs sāka attīstīt pirmo mašīnu, kas tika nosaukta par tādu, un 1931. gadā zinātniskajā žurnālā publicēja sava jaunā izgudrojuma aprakstu.

Līdz 20. Gada sākumam^th gadsimtā, skaitļošanas tehnikas evolūcija bija nedaudz vairāk par zinātniekiem, kas metās projektēt mašīnas, kuras spēj efektīvi veikt dažāda veida aprēķinus dažādiem mērķiem. Tikai 1936. gadā tika beidzot izstrādāta vienota teorija par to, kas veido “vispārējas nozīmes datoru” un kā tam vajadzētu darboties. Tajā gadā angļu matemātiķis Alans Tjūrings publicēja rakstu ar nosaukumu “Par aprēķināmiem numuriem, ar pieteikumu Entscheidungsproblemai”, kurā aprakstīts, kā teorētisko ierīci, ko sauc par “Turing machine”, var izmantot, lai veiktu jebkuru iedomājamu matemātisko aprēķinu, izpildot instrukcijas. Teorētiski mašīnai būtu neierobežota atmiņa, tā varētu lasīt datus, rakstīt rezultātus un uzglabāt programmu programmu.

Kamēr Tjūringa dators bija abstrakts jēdziens, tas bija vācu inženieris ar nosaukumu Konrāds Zuse kurš turpinātu būvēt pasaulē pirmo programmējamo datoru. Viņa pirmais mēģinājums attīstīt elektronisku datoru - Z1 - bija binārs kalkulators, kurš lasīja instrukcijas no perforētās 35 milimetru plēves. Tomēr šī tehnoloģija nebija uzticama, tāpēc viņš to sekoja Z2 - līdzīgai ierīcei, kas izmantoja elektromehānisko releju shēmas. Lai arī uzlabojums, Zusei viss sakrita, montējot savu trešo modeli. 1941. gadā atklātais Z3 bija ātrāks, uzticamāks un labāk spēja veikt sarežģītus aprēķinus. Lielākā atšķirība šajā trešajā iemiesojumā bija tā, ka instrukcijas tika glabātas uz ārējas lentes, tādējādi ļaujot tai darboties kā pilnībā darboties spējīgai programmas kontrolētai sistēmai.

Visievērojamākais ir tas, ka Zuse lielu daļu darba paveica izolēti. Viņš nezināja, ka Z3 bija "Turing complete" jeb, citiem vārdiem sakot, vismaz teorētiski spējīgs atrisināt jebkuru matemātisku problēmu. Viņam nebija arī zināšanu par līdzīgiem projektiem, kas notiek aptuveni tajā pašā laikā citās pasaules daļās.

Starp ievērojamākajiem no tiem varēja minēt IBM finansēto Hārvardu Marku I, kurš debitēja 1944. gadā. Vēl daudzsološāks tomēr bija tādu elektronisko sistēmu izstrāde kā Lielbritānijas 1943. gada skaitļošanas prototips Colossus un ENIAC, pirmais pilnībā darboties spējīgais elektroniskais universālais dators, kas tika nodots ekspluatācijā Pensilvānijas universitātē 1946. gadā.

No ENIAC projekta iznāca nākamais lielais skaitļošanas tehnoloģijas lēciens. Džons Von Neimans, ungāru matemātiķis, kurš konsultējās par ENIAC projektu, veidos pamatu uzglabātās programmas datoram. Līdz šim datori darbojās ar fiksētām programmām un maina to funkcijas, piemēram, no aprēķinu veikšanas līdz teksta apstrādei. Tam bija vajadzīgs laikietilpīgs process, kurā vajadzēja tos manuāli pīt un pārstrukturēt. (ENIAC pārprogrammēšana prasīja vairākas dienas.) Tērings bija ierosinājis, ka ideālā gadījumā, ja programma būtu atmiņā, tā ļautu datoram daudz ātrāk modificēties. Von Neumann bija ieinteresēts koncepcijā un 1945. gadā sastādīja ziņojumu, kurā sīki aprakstīja pieejamo arhitektūru uzglabātās programmas skaitļošanai.

Viņa publicētais raksts tiks plaši izplatīts starp konkurējošām pētnieku komandām, kas strādā pie dažādiem datoru projektiem. 1948. gadā grupa Anglijā iepazīstināja ar Mančesteras maza mēroga eksperimentālo mašīnu - pirmo datoru, kas palaida glabātu programmu, kuras pamatā ir Von Neumann arhitektūra. Ar iesauku “Baby” Mančestras mašīna bija eksperimentāls dators, kas kalpoja kā priekštecis Mančestras Marks I. EDVAC, datora dizains, par kuru sākotnēji bija paredzēts Von Neumann ziņojums, netika pabeigts līdz 1949. gadam.

Pirmie modernie datori nebija nekas tāds kā komerciālie produkti, kurus patērētāji izmanto mūsdienās. Tie bija sarežģīti kontrakcijas, kas bieži aizņēma visu istabu. Viņi arī iesūc milzīgu daudzumu enerģijas un bija ļoti slaveni. Un tā kā šie agrīnie datori darbojās uz lielgabarīta vakuuma caurulēm, zinātniekiem, kuri cerēja uzlabot apstrādes ātrumu, būs jāatrod lielākas telpas vai jāpiedāvā alternatīva.

Par laimi, tik nepieciešamais izrāviens jau notika darbos. 1947. gadā Bell Telephone Laboratories zinātnieku grupa izstrādāja jaunu tehnoloģiju, ko sauc par punktveida kontaktu tranzistoriem. Tāpat kā vakuuma caurules, tranzistori pastiprina elektrisko strāvu, un tos var izmantot kā slēdžus. Vēl svarīgāk ir tas, ka tie bija daudz mazāki (apmēram aspirīna kapsulas lielumā), uzticamāki un kopumā patērēja daudz mazāk enerģijas. Līdzizgudrotājiem Džonam Bardeenam, Valteram Brattainam un Viljamam Šoklijam 1956. gadā galu galā tiks piešķirta Nobela prēmija fizikā.

Kamēr Bardēns un Brattains turpināja veikt izpētes darbu, Shockley pārcēlās uz turpmāku tranzistora tehnoloģijas attīstību un komercializāciju. Viens no pirmajiem jaunizveidotās firmas darbiniekiem bija elektrotehniķis Roberts Noice, kurš galu galā sadalījās un izveidoja savu firmu Fairchild Semiconductor, kas bija Fairchild Camera un Instruments. Tajā laikā Noyce meklēja veidus, kā nemanāmi apvienot tranzistoru un citas sastāvdaļas vienā integrētajā shēmā, lai novērstu procesu, kurā tie bija jāapvieno kopā ar rokām. Domājot līdzīgi, Džeks Kilbijs, Texas Instruments inženieris, vispirms iesniedza patentu. Tomēr tas bija Noyce dizains, kas tiks plaši pieņemts.

Integrētās shēmas visbūtiskāk ietekmēja personāla skaitļošanas jauno laikmetu. Laika gaitā tas pavēra iespēju palaist procesus, kurus darbina miljoniem ķēžu - visi uz mikročipa, kas ir tikpat pastmarkas lielumā. Būtībā tas ir ļāvis visuresošajiem rokas sīkrīkiem, kurus mēs izmantojam katru dienu, kas ir ironiski, ka daudz jaudīgāki nekā agrākie datori, kas aizņēma visas telpas.