Pohled na historii počítačů

Před věkem elektroniky byla nejblíže k počítači počitadlo, i když přísně vzato, počítadlo je ve skutečnosti kalkulačka, protože vyžaduje lidského operátora. Počítače naopak provádějí výpočty automaticky sledováním řady vestavěných příkazů zvaných software.

Ve 20^tis století, průlom v technologii umožnil neustále se vyvíjejícím výpočetním strojům, na nichž nyní zcela závisíme, prakticky jsme jim nikdy nepřemýšleli. Ale ještě před příchodem mikroprocesorů a superpočítače, byli někteří významní vědci a vynálezci, kteří pomohli položit základy pro technologii, která od té doby drasticky přetvořila každou stránku moderního života.

Univerzální jazyk, ve kterém počítače provádějí instrukce procesorů, vznikl v 17. století ve formě binárního numerického systému. Vyvinutý německým filozofem a matematikem Gottfried Wilhelm Leibniz, systém vznikl jako způsob, jak reprezentovat desetinná čísla pomocí pouze dvou číslic: čísla nula a čísla jedna. Leibnizův systém byl částečně inspirován filozofickými vysvětleními v klasickém čínském textu „já Ching, “který vysvětlil vesmír z hlediska dualit, jako je světlo a tma a muž a ženský. Zatímco v té době pro jeho nově kodifikovaný systém neexistovalo žádné praktické využití, Leibniz věřil, že je možné, aby stroj jednoho dne využil tyto dlouhé řetězce binárních čísel.

V 1847, anglický matematik George Boole představil nově vymyslel algebraický jazyk postavený na Leibnizově práci. Jeho „Boolean Algebra“ byl ve skutečnosti logický systém, s matematickými rovnicemi používanými k vyjádření logických výroků. Stejně důležité bylo, že použil binární přístup, ve kterém by vztah mezi různými matematickými veličinami byl buď pravdivý nebo nepravdivý, 0 nebo 1.

Stejně jako u Leibnizu neexistovaly v době Booleovy algebry žádné zjevné aplikace, matematik Charles Sanders Pierce strávil desetiletí rozšiřováním systému av roce 1886 určil, že výpočty lze provádět s elektrickým přepínáním obvody. V důsledku toho by se logická logika nakonec stala nástrojem při návrhu elektronických počítačů.

Anglický matematik Charles Babbage je připisován za sestavení prvních mechanických počítačů - alespoň technicky řečeno. Jeho stroje z počátku 19. století uváděly způsob, jak zadávat čísla, paměť a procesor, spolu s výstupem výsledků. Babbage nazval svůj první pokus postavit první počítačový stroj na světě „rozdílným motorem“. Návrh vyžadoval stroj, který vypočítával hodnoty a výsledky automaticky tiskl na a stůl. Měl to být ručně zalomený a vážil by čtyři tuny. Ale Babbageovo dítě bylo nákladné úsilí. Více než 17 000 liber šterlinků bylo vynaloženo na včasný vývoj motoru s rozdílem. Projekt byl nakonec vyřazen poté, co britská vláda v roce 1842 přerušila financování Babbage.

To bylo vynuceno Babbage přejít k jiné myšlence, „analytickému motoru“, který byl svým rozsahem ambicióznější než jeho předchůdce a měl být používán spíše pro výpočetní účely než pro aritmetiku. Přestože nikdy nebyl schopen sledovat a stavět funkční zařízení, design společnosti Babbage měl v podstatě stejnou logickou strukturu jako elektronické počítače, které by se začaly používat ve 20^tis století. Analytický stroj měl integrovanou paměť - formu úložiště informací nalezenou ve všech počítačích - která umožňuje větvení nebo schopnost počítače provádět sadu instrukcí, které se liší od výchozího pořadí sekvencí, stejně jako smyčky, což jsou sekvence instrukcí prováděných opakovaně v posloupnost.

Přes jeho selhání produkovat plně funkční počítačový stroj, Babbage zůstal vytrvale undetrred v uskutečňování jeho nápadů. V letech 1847 až 1849 navrhoval novou a vylepšenou druhou verzi svého rozdílového motoru. Tentokrát vypočítal desetinná čísla až 30 číslic, provedl výpočty rychleji a byl zjednodušen tak, aby vyžadoval méně částí. Přesto britská vláda neměla pocit, že by stála za to jejich investice. Nakonec, nejpokrokovější Babbage, jaký kdy byl na prototypu dokončen, dokončoval jednu sedminu svého prvního návrhu.

Během této rané doby práce na počítači došlo k několika pozoruhodným úspěchům: The stroj na předpovídání přílivu a odlivu, vynalezený skotsko-irským matematikem, fyzikem a inženýrem Sirem Williamem Thomsonem v roce 1872, byl považován za první moderní analogový počítač. O čtyři roky později přišel jeho starší bratr James Thomson s konceptem počítače, který řeší matematické problémy známé jako diferenciální rovnice. Svému zařízení nazval „integrační stroj“ a v pozdějších letech by sloužil jako základ pro systémy známé jako diferenciální analyzátory. V 1927, americký vědec Vannevar Bush začal vývoj na prvním stroji být jmenován jako takový a zveřejnil popis jeho nového vynálezu v vědeckém časopise v 1931.

Až do začátku 20^tis století, vývoj výpočetní techniky byl o něco více než vědci, kteří se utápěli v konstrukci strojů schopných efektivně provádět různé druhy výpočtů pro různé účely. Teprve v roce 1936 byla konečně předložena sjednocená teorie o tom, co představuje „počítač pro všeobecné účely“ a jak by měla fungovat. Ten rok anglický matematik Alan Turing publikoval dokument s názvem „Na kompatibilních číslech, s aplikací u Entscheidungsproblem“, který nastínil, jak by teoretické zařízení zvané „Turingův stroj“ mohlo být použito k provedení všech možných matematických výpočtů provedením instrukce. Teoreticky by měl stroj neomezenou paměť, číst data, psát výsledky a ukládat program instrukcí.

Zatímco Turingův počítač byl abstraktní pojem, jmenoval se německý inženýr Konrad Zuse kdo by pokračoval ve stavbě prvního programovatelného počítače na světě. Jeho prvním pokusem o vývoj elektronického počítače, Z1, byla binární kalkulačka, která čítala pokyny z děrovaného 35 milimetrového filmu. Tato technologie však byla nespolehlivá, a tak ji navázal na Z2, podobné zařízení, které používalo elektromechanické reléové obvody. Zatímco vylepšení, to bylo v sestavení jeho třetí model, že všechno se sešlo pro Zuse. Z3 byla představena v roce 1941 a byla rychlejší, spolehlivější a lépe schopná provádět složité výpočty. Největší rozdíl v této třetí inkarnaci spočíval v tom, že instrukce byly uloženy na externí pásku, což mu umožnilo fungovat jako plně funkční systém řízený programem.

Snad nejpozoruhodnější je, že Zuse odvedl většinu své práce izolovaně. Netušil, že Z3 je „Turing kompletní“, nebo jinými slovy, schopný vyřešit jakýkoli matematický problém - alespoň teoreticky. Neměl ani žádné znalosti o podobných projektech probíhajících ve stejnou dobu v jiných částech světa.

Mezi nejvýznamnější z nich patřil IBM financovaný Harvard Mark I, který debutoval v roce 1944. Ještě slibnější byl však vývoj elektronických systémů, jako je počítačový prototyp Velké Británie z roku 1943 Colossus a ENIAC, první plně funkční elektronický univerzální počítač, který byl uveden do provozu na University of Pennsylvania v roce 1946.

Z projektu ENIAC přišel další velký skok v oblasti výpočetní techniky. John Von Neumann, maďarský matematik, který konzultoval projekt ENIAC, položil základy pro uložený programový počítač. Až do tohoto okamžiku fungovaly počítače na pevných programech a měnily jejich funkci - například z provádění výpočtů na zpracování textu. Vyžadovalo to časově náročný proces, kdy je nutné ručně přetahovat a restrukturalizovat. (Přeprogramování programu ENIAC trvalo několik dní.) Turing navrhl, že pokud bude mít program uložený v paměti, počítač by se mohl upravovat mnohem rychleji. Von Neumann byl tento koncept zaujat a v roce 1945 vypracoval zprávu, která podrobně poskytla proveditelnou architekturu pro výpočet uložených programů.

Jeho publikovaná práce by byla široce distribuována mezi konkurenčními týmy vědců pracujících na různých počítačových designech. V roce 1948 představila skupina v Anglii Manchester Small-Scale Experimental Machine, první počítač, který spustil uložený program založený na architektuře Von Neumann. Prezývaný „Baby“, Manchester Machine byl experimentální počítač, který sloužil jako předchůdce Manchester Mark I. EDVAC, počítačový design, pro který byla původně určena zpráva Von Neumanna, nebyl dokončen až do roku 1949.

První moderní počítače nebyly jako komerční výrobky, které spotřebitelé dnes používají. Byly to komplikované hromotluky, které často zabíraly celý pokoj. Také sali obrovské množství energie a byli notoricky buggy. A protože tyto rané počítače běžely na objemných vakuových zkumavkách, vědci doufající, že zlepší rychlost zpracování, budou muset buď najít větší místnosti - nebo přijít s alternativou.

Naštěstí tento tolik potřebný průlom byl již v pracích. V roce 1947 vyvinula skupina vědců v Bell Telephone Laboratories novou technologii zvanou point-contact transistors. Stejně jako vakuové trubice zesilují tranzistory elektrický proud a lze je použít jako spínače. Ještě důležitější je, že byly mnohem menší (asi o velikosti aspirinové tobolky), spolehlivější a celkově spotřebovaly mnohem méně energie. Společní vynálezci John Bardeen, Walter Brattain a William Shockley by nakonec získali Nobelovu cenu za fyziku v roce 1956.

Zatímco Bardeen a Brattain pokračovali ve výzkumu, Shockley se přesunul k dalšímu vývoji a komercializaci tranzistorové technologie. Jedním z prvních nájemců jeho nově založené společnosti byl elektrotechnik jménem Robert Noyce, který nakonec se oddělil a vytvořil jeho vlastní firmu, Fairchild Semiconductor, divize Fairchild Camera a Nástroj. V té době Noyce hledal způsoby, jak hladce kombinovat tranzistor a další komponenty do jednoho integrovaného obvodu, aby se eliminoval proces, ve kterém musely být spojeny ručně. Přemýšlejte podobně, Jack Kilby, inženýr společnosti Texas Instruments, skončil nejprve přihlášením patentu. Šlo však o Noyceův návrh, který by byl široce přijat.

Tam, kde měly integrované obvody nejvýznamnější dopad, bylo vydláždit cestu nové éře osobních počítačů. Časem se otevřela možnost provozování procesů poháněných miliony obvodů - vše na mikročipu velikosti poštovní známky. Je to v podstatě to, co umožnilo všudypřítomné ruční přístroje, které používáme každý den, které jsou ironicky mnohem výkonnější než nejstarší počítače, které zabíraly celé místnosti.