Μια ματιά στην ιστορία των υπολογιστών

Πριν από την ηλικία των ηλεκτρονικών, το πλησιέστερο πράγμα σε έναν υπολογιστή ήταν το άβακας, αν και, αυστηρά μιλώντας, το άβακας είναι στην πραγματικότητα μια αριθμομηχανή δεδομένου ότι απαιτεί έναν ανθρώπινο χειριστή. Οι υπολογιστές, από την άλλη πλευρά, εκτελούν αυτόματα υπολογισμούς ακολουθώντας μια σειρά ενσωματωμένων εντολών που ονομάζονται λογισμικά.

Στις 20^th αιώνα, οι επιτεύγματα στην τεχνολογία που επιτρέπονται για τις συνεχώς εξελισσόμενες υπολογιστικές μηχανές που τώρα εξαρτώνται από τόσο εντελώς, ουσιαστικά δεν τους δίνουμε ποτέ μια δεύτερη σκέψη. Αλλά ακόμη και πριν από την έλευση των μικροεπεξεργαστών και υπερυπολογιστές, υπήρχαν ορισμένοι αξιοσημείωτοι επιστήμονες και εφευρέτες που βοήθησαν να τεθούν τα θεμέλια για την τεχνολογία που από τότε έχει αναμορφώσει δραστικά κάθε πτυχή της σύγχρονης ζωής.

Η καθολική γλώσσα στην οποία οι υπολογιστές εκτελούν οδηγίες επεξεργαστή προέκυψαν τον 17ο αιώνα με τη μορφή του δυαδικού αριθμητικού συστήματος. Αναπτύχθηκε από Γερμανό φιλόσοφο και μαθηματικό

Το 1847, ο αγγλικός μαθηματικός George Boole εισήγαγε ένα πρόσφατα επινοημένο αλγεβρική γλώσσα που βασίστηκε στο έργο του Leibniz. Η "Boolean Algebra" του ήταν στην πραγματικότητα ένα σύστημα λογικής, με μαθηματικές εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για να αντιπροσωπεύουν δηλώσεις στη λογική. Εξίσου σημαντικό ήταν ότι χρησιμοποίησε μια δυαδική προσέγγιση στην οποία η σχέση μεταξύ διαφορετικών μαθηματικών ποσοτήτων θα ήταν είτε αληθής είτε ψευδής, 0 ή 1.

Όπως και με τον Leibniz, δεν υπήρχαν προφανείς αιτήσεις για την άλγεβρα Boole εκείνη την εποχή, ωστόσο, ο μαθηματικός Charles Sanders Pierce πέρασε δεκαετίες επέκταση του συστήματος, και το 1886, διαπίστωσε ότι οι υπολογισμοί θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν με την ηλεκτρική μεταγωγή κυκλώματα. Ως αποτέλεσμα, η λογική Boolean θα καταλήξει να συμβάλει στο σχεδιασμό ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Αγγλικός μαθηματικός Charles Babbage πιστώνεται με τη συναρμολόγηση των πρώτων μηχανικών υπολογιστών - τουλάχιστον τεχνικά μιλώντας. Οι μηχανές του στις αρχές του 19ου αιώνα παρουσίαζαν έναν τρόπο εισαγωγής αριθμών, μνήμης και επεξεργαστή, μαζί με έναν τρόπο εξόδου των αποτελεσμάτων. Ο Babbage κάλεσε την αρχική του προσπάθεια να κατασκευάσει την πρώτη υπολογιστική μηχανή στον κόσμο, τη "μηχανή διαφορών". Ο σχεδιασμός ζήτησε μια μηχανή που να υπολογίζει τις τιμές και να εκτυπώνει τα αποτελέσματα αυτόματα σε a τραπέζι. Θα έπρεπε να είναι χειροκίνητα και να ζυγίζει τέσσερις τόνους. Αλλά το μωρό της Babbage ήταν μια δαπανηρή προσπάθεια. Περισσότεροι από £ 17.000 λίρες στερλίνες δαπανήθηκαν για την πρόωρη ανάπτυξη της διαφοράς κινητήρα. Το έργο τελικά διαλύθηκε αφού η βρετανική κυβέρνηση διέκοψε τη χρηματοδότηση του Babbage το 1842.

Αυτό αναγκάστηκε Babbage να προχωρήσουμε σε μια άλλη ιδέα, έναν «αναλυτικό κινητήρα», ο οποίος ήταν πιο φιλόδοξος σε σχέση με τον προκάτοχό του και έπρεπε να χρησιμοποιηθεί για υπολογιστές γενικού σκοπού και όχι μόνο αριθμητική. Παρόλο που ποτέ δεν ήταν σε θέση να ακολουθήσει και να κατασκευάσει μια συσκευή εργασίας, το σχέδιο Babbage χαρακτήρισε ουσιαστικά την ίδια λογική δομή με τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές που θα έρθουν σε χρήση στα 20^th αιώνας. Ο αναλυτικός μηχανισμός είχε ενσωματωμένη μνήμη - μια μορφή αποθήκευσης πληροφοριών που βρέθηκε σε όλους τους υπολογιστές - που επιτρέπει τη διακλάδωση ή τη δυνατότητα ενός υπολογιστή να εκτελέστε ένα σύνολο οδηγιών που αποκλίνουν από την προεπιλεγμένη σειρά ακολουθιών, καθώς και βρόχους, οι οποίοι είναι ακολουθίες εντολών που εκτελούνται επανειλημμένα σε διαδοχή.

Παρά τις αποτυχίες του να παράγει μια πλήρως λειτουργική υπολογιστική μηχανή, ο Babbage παρέμεινε σταθερά αναλλοίωτος, ακολουθώντας τις ιδέες του. Μεταξύ 1847 και 1849, ανέπτυξε σχέδια για μια νέα και βελτιωμένη δεύτερη έκδοση της μηχανής διαφορών του. Αυτή τη φορά, υπολόγισε δεκαδικούς αριθμούς έως και 30 ψηφίων, πραγματοποίησε υπολογισμούς πιο γρήγορα και απλοποιήθηκε για να απαιτήσει λιγότερα τμήματα. Ακόμα, η βρετανική κυβέρνηση δεν αισθάνθηκε ότι αξίζει την επένδυσή τους. Τελικά, η πιο πρόοδος που έκανε ποτέ ο Babbage σε ένα πρωτότυπο ολοκληρώνει το ένα έβδομο του πρώτου σχεδιασμού του.

Κατά τη διάρκεια αυτής της πρώιμης εποχής της πληροφορικής, υπήρξαν μερικά αξιοσημείωτα επιτεύγματα: Η μηχανή πρόβλεψης παλίρροιας, που εφευρέθηκε από τον μαθητή Scotch-Irish, φυσικό και μηχανικό Sir William Thomson το 1872, θεωρήθηκε ο πρώτος σύγχρονος αναλογικός υπολογιστής. Τέσσερα χρόνια αργότερα, ο μεγάλος αδελφός του, James Thomson, ήρθε με μια ιδέα για έναν υπολογιστή που λύνει τα μαθηματικά προβλήματα γνωστά ως διαφορικές εξισώσεις. Κάλεσε τη συσκευή του ως "ενσωματωμένη μηχανή" και αργότερα θα χρησίμευε ως βάση για συστήματα γνωστά ως διαφορικοί αναλυτές. Το 1927, ο Αμερικανός επιστήμονας Vannevar Bush ξεκίνησε την ανάπτυξη του πρώτου μηχανήματος που ονομάστηκε ως τέτοιος και δημοσίευσε μια περιγραφή της νέας του εφεύρεσης σε επιστημονικό περιοδικό το 1931.

Μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα^th αιώνα, η εξέλιξη της πληροφορικής ήταν λίγο περισσότερο από ό, τι οι επιστήμονες ασχολούνται με το σχεδιασμό μηχανών ικανών να εκτελούν αποτελεσματικά διάφορα είδη υπολογισμών για διάφορους σκοπούς. Μόνο το 1936 τέθηκε μια ενιαία θεωρία σχετικά με το τι αποτελεί «υπολογιστή γενικής χρήσης» και πώς θα έπρεπε να λειτουργήσει. Εκείνη την χρονιά, ο αγγλικός μαθηματικός Alan Turing δημοσίευσε ένα έγγραφο με τίτλο "On Computable Numbers, με αίτηση για το Entscheidungsproblem", το οποίο υπογράμμισε πώς μια θεωρητική συσκευή που ονομάζεται "μηχανή Turing" θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να πραγματοποιήσει οποιοδήποτε πιθανό μαθηματικό υπολογισμό με την εκτέλεση οδηγίες. Θεωρητικά, η μηχανή θα έχει απεριόριστη μνήμη, θα διαβάζει δεδομένα, θα γράφει αποτελέσματα και θα αποθηκεύει ένα πρόγραμμα οδηγιών.

Ενώ ο υπολογιστής του Turing ήταν μια αφηρημένη έννοια, ήταν ένας Γερμανός μηχανικός που ονομάστηκε Konrad Zuse που θα συνέχιζε να κατασκευάζει τον πρώτο προγραμματιζόμενο υπολογιστή παγκοσμίως. Η πρώτη προσπάθειά του για την ανάπτυξη ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή, του Z1, ήταν μια δυαδική ηλεκτρονική υπολογιστική μηχανή που διαβάζει τις οδηγίες από ένα τρυπημένο φιλμ 35 χιλιοστών. Η τεχνολογία ήταν αναξιόπιστη, οπότε ακολούθησε το με το Z2, μια παρόμοια συσκευή που χρησιμοποίησε ηλεκτρομηχανικά κυκλώματα ρελέ. Ενώ ήταν μια βελτίωση, ήταν στο να συγκεντρώσει το τρίτο του μοντέλο ότι όλα βρέθηκαν για Zuse. Παρουσιάστηκε το 1941, το Z3 ήταν ταχύτερο, πιο αξιόπιστο και πιο ικανό να εκτελεί περίπλοκες υπολογισμούς. Η μεγαλύτερη διαφορά σε αυτή την τρίτη ενσάρκωση ήταν ότι οι οδηγίες αποθηκεύτηκαν σε μια εξωτερική ταινία, επιτρέποντάς της έτσι να λειτουργήσει ως ένα πλήρως επιχειρησιακό ελεγχόμενο σύστημα.

Αυτό που είναι ίσως πιο αξιοσημείωτο είναι ότι ο Zuse έκανε μεγάλο μέρος του έργου του μεμονωμένα. Είχε αγνοεί ότι το Z3 ήταν "πλήρης Turing", ή με άλλα λόγια, ικανό να λύσει οποιοδήποτε υπολογιστικό μαθηματικό πρόβλημα - τουλάχιστον θεωρητικά. Επίσης, δεν γνώριζε παρόμοια έργα γύρω από την ίδια εποχή σε άλλα μέρη του κόσμου.

Μεταξύ των πιο αξιοσημείωτων αυτών ήταν το χρηματοδοτούμενο από την IBM Harvard Mark I, το οποίο έκανε το ντεμπούτο του το 1944. Ακόμα πιο ελπιδοφόρα ήταν η ανάπτυξη ηλεκτρονικών συστημάτων, όπως το πρωτότυπο υπολογιστών Colossus του 1943 της Μεγάλης Βρετανίας και η ENIAC, ο πρώτος πλήρως λειτουργικός ηλεκτρονικός υπολογιστής γενικής χρήσης που τέθηκε σε λειτουργία στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας το 1946.

Από το έργο ENIAC ήρθε το επόμενο μεγάλο άλμα στην τεχνολογία πληροφορικής. Ο John Von Neumann, ένας μαθητής της Ουγγαρίας που είχε συμβουλευτεί το έργο ENIAC, θα έθετε τις βάσεις για έναν αποθηκευμένο υπολογιστή προγράμματος. Μέχρι τώρα, οι υπολογιστές λειτουργούσαν σε σταθερά προγράμματα και άλλαζαν τη λειτουργία τους - για παράδειγμα, από την εκτέλεση υπολογισμών σε επεξεργασία κειμένου. Αυτό απαιτούσε τη χρονοβόρα διαδικασία της αναγκαστικής επανάκλησης και αναδιάρθρωσης. (Χρειάστηκαν αρκετές ημέρες για να επαναπρογραμματίσουν το ENIAC.) Ο Τούρινγκ είχε προτείνει ότι ιδανικά, έχοντας ένα πρόγραμμα αποθηκευμένο στη μνήμη, θα επέτρεπε στον υπολογιστή να τροποποιηθεί με πολύ ταχύτερο ρυθμό. Ο Von Neumann ενδιαφέρθηκε από την ιδέα και το 1945 συνέταξε μια έκθεση που παρείχε λεπτομερώς μια εφικτή αρχιτεκτονική για τον αποθηκευμένο υπολογιστικό προγραμματισμό.

Η δημοσίευσή του θα κυκλοφορούσε ευρέως μεταξύ ανταγωνιστικών ομάδων ερευνητών που εργάζονται σε διάφορα σχέδια ηλεκτρονικών υπολογιστών. Το 1948, μια ομάδα στην Αγγλία εισήγαγε την πειραματική μηχανή μικρής κλίμακας του Μάντσεστερ, τον πρώτο υπολογιστή για να τρέξει ένα αποθηκευμένο πρόγραμμα βασισμένο στην αρχιτεκτονική Von Neumann. Με το παρατσούκλι "Baby", η Μηχανή του Μάντσεστερ ήταν ένας πειραματικός υπολογιστής που χρησίμευσε ως προκάτοχος του Μάντσεστερ Μάρκ Ι. Η EDVAC, η σχεδίαση ηλεκτρονικών υπολογιστών για την οποία προοριζόταν αρχικά η έκθεση του Von Neumann, δεν ολοκληρώθηκε πριν από το 1949.

Οι πρώτοι σύγχρονοι υπολογιστές δεν ήταν τίποτε σαν τα εμπορικά προϊόντα που χρησιμοποιούν οι καταναλωτές σήμερα. Πρόκειται για περίτεχνα κολακευτικά αντικείμενα που συχνά κατέλαβαν το χώρο ολόκληρου του δωματίου. Έχουν επίσης απορροφήσει τεράστια ποσά ενέργειας και ήταν γνωστά buggy. Και επειδή αυτοί οι πρώτοι υπολογιστές έτρεχαν σε ογκώδεις σωλήνες κενού, οι επιστήμονες που ήλπιζαν να βελτιώσουν τις ταχύτητες επεξεργασίας θα έπρεπε είτε να βρουν μεγαλύτερες αίθουσες είτε να βρουν μια εναλλακτική λύση.

Ευτυχώς, αυτή η πολύ αναγκαία πρόοδος ήταν ήδη στα έργα. Το 1947, μια ομάδα επιστημόνων στο Bell Telephone Laboratories ανέπτυξε μια νέα τεχνολογία που ονομάζεται τρανζίστορ επαφής σημείων. Όπως οι σωλήνες κενού, τα τρανζίστορ ενισχύουν το ηλεκτρικό ρεύμα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διακόπτες. Το πιο σημαντικό, ήταν πολύ μικρότερο (περίπου το μέγεθος κάψουλας ασπιρίνης), πιο αξιόπιστο και χρησιμοποίησε πολύ λιγότερη ισχύ συνολικά. Οι συν-εφευρέτες John Bardeen, Walter Brattain και William Shockley τελικά θα απονεμηθούν το Βραβείο Νόμπελ στη Φυσική το 1956.

Ενώ οι Bardeen και Brattain συνέχισαν να διεξάγουν ερευνητικές εργασίες, ο Shockley προχώρησε στην περαιτέρω ανάπτυξη και εμπορία της τεχνολογίας των τρανζίστορ. Μία από τις πρώτες μισθώσεις στη νεοσυσταθείσα εταιρεία του ήταν ηλεκτρολόγος μηχανικός Robert Noyce, ο οποίος τελικά χωρίστηκε και δημιούργησε τη δική του εταιρεία, την Fairchild Semiconductor, τμήμα της Fairchild Camera και Οργανο. Την εποχή εκείνη, ο Noyce έψαχνε τρόπους για τον απλό συνδυασμό του τρανζίστορ και των άλλων εξαρτημάτων σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα για την εξάλειψη της διαδικασίας με την οποία έπρεπε να συναρμολογηθούν με το χέρι. Σκέφτοντας παρόμοιες γραμμές, Τζάκ Κίλμπι, μηχανικός της Texas Instruments, κατέληξε πρώτα στην κατάθεση ενός διπλώματος ευρεσιτεχνίας. Ήταν όμως η σχεδίαση του Noyce που θα υιοθετούσε ευρέως.

Όπου τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είχαν τον πιο σημαντικό αντίκτυπο ήταν να προετοιμάσουν το δρόμο για τη νέα εποχή της προσωπικής πληροφορικής. Με την πάροδο του χρόνου, άνοιξε τη δυνατότητα εκτέλεσης διαδικασιών που τροφοδοτούνται από εκατομμύρια κυκλώματα - όλα σε ένα μικροτσίπ μεγέθους ταχυδρομικής σφραγίδας. Στην ουσία, είναι αυτό που επέτρεψε τις πανταχού παρούσες συσκευές χειρός που χρησιμοποιούμε καθημερινά, οι οποίες, ειρωνικά, είναι πολύ πιο ισχυρές από τους πρώτους υπολογιστές που ανέλαβαν ολόκληρα δωμάτια.