Nuo skaičiuoklės iki superkompiuterio: pirmojo kompiuterio kelias

Kada prasidėjo kompiuterių era?

Daugelis žmonių klausia, koks iš tikrųjų buvo pirmasis kompiuteris. Atsakymas priklauso nuo to, ką laikome kompiuteriu. Jei kalbame apie mechanines skaičiavimo mašinas, tai kelionė prasideda dar XVII amžiuje. Jei kalbame apie elektroninius įrenginius – tada žvelgiame į XX amžiaus vidurį.

Pirmosios skaičiavimo mašinos buvo kuriamos ne pramogai ar verslui, o dėl labai konkrečių praktinių poreikių. Matematikai, astronomai ir inžinieriai praleisdavo valandas atliekant sudėtingus skaičiavimus ranka. Klaidos buvo neišvengiamos, o laikas – brangus. Todėl gimė idėja sukurti mechanizmą, kuris galėtų atlikti šiuos darbus greičiau ir tiksliau.

Pirmasis žinomas bandymas sukurti automatinę skaičiavimo mašiną priklauso Blaise Pascal’ui. 1642 metais jis sukūrė mechaninę skaičiuoklę, kuri galėjo sudėti ir atimti skaičius naudojant krumpliaračius. Tai buvo revoliucinis išradimas savo laikais, nors ir turėjo daug apribojimų. Gottfried Wilhelm Leibniz vėliau patobulino šią idėją, sukurdamas mašiną, kuri galėjo ir dauginti.

Charles Babbage ir analitinė mašina

Tikrasis lūžis įvyko XIX amžiuje, kai britų matematikas Charles Babbage suprojektavo tai, ką šiandien laikytume pirmuoju tikruoju kompiuteriu – analitinę mašiną. Nors ji niekada nebuvo pilnai pastatyta jo gyvenimo metu, koncepcija buvo neįtikėtinai pažangi.

Babbage’o mašina turėjo visus pagrindinius šiuolaikinio kompiuterio elementus: atmintį (jis ją vadino „sandėliu”), procesorių („malūnu”), įvesties mechanizmą (perforuotas korteles) ir net galimybę programuoti. Tai buvo mechaninis įrenginys, sudarytas iš tūkstančių krumpliaračių, svirtų ir kitų mechaninių dalių.

Ada Lovelace, matematikė ir Babbage’o bendradarbė, suprato šios mašinos potencialą geriau nei kas kitas. Ji parašė tai, kas šiandien laikoma pirmuoju kompiuterio programos algoritmu – instrukcijų seką, kaip analitinė mašina galėtų apskaičiuoti Bernoulli skaičius. Dėl šios priežasties Lovelace dažnai vadinama pirmąja programuotoja.

Elektromechaniniai milžinai

Peršokime į XX amžiaus pradžią. Mechaninės skaičiavimo mašinos pasiekė savo ribas – jos buvo per lėtos ir nepatikimos sudėtingiems skaičiavimams. Reikėjo naujo požiūrio, ir jis atėjo su elektros panaudojimu.

1930-aisiais metais vokiečių inžinierius Konrad Zuse savo bute pradėjo kurti Z1 – pirmąjį programuojamą dvejetainį kompiuterį. Tai buvo elektromechaninis įrenginys, naudojęs elektros variklius mechaniniams elementams valdyti. Nors Z1 nebuvo labai patikimas, jo įpėdiniai Z2 ir Z3 jau buvo funkcionalūs kompiuteriai. Z3, užbaigtas 1941 metais, daugelio istorikų laikomas pirmuoju pilnai funkcionuojančiu programuojamu kompiuteriu.

Tuo pačiu metu JAV Harvardo universitete Howard Aiken kartu su IBM kūrė Harvard Mark I – milžinišką elektromechaninę skaičiavimo mašiną. Užbaigta 1944 metais, ji svėrė apie 5 tonas, buvo 15 metrų ilgio ir turėjo apie 765 000 komponentų. Mark I galėjo atlikti sudėtingus matematikos skaičiavimus ir buvo naudojamas karo metu balistiniams skaičiavimams.

ENIAC: elektroninė revoliucija

Tikrasis šuolis į priekį įvyko, kai mechaniniai komponentai buvo pakeisti elektroniniais. 1945 metais buvo užbaigtas ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) – pirmasis visiškai elektroninis universalus kompiuteris. Jį sukūrė John Presper Eckert ir John Mauchly Pensilvanijos universitete.

ENIAC buvo tikras milžinas. Jis užėmė 167 kvadratinių metrų plotą, svėrė 27 tonas ir turėjo apie 18 000 vakuuminių lempų. Kai jis veikė, suvartodavo 150 kilovat elektros energijos – pakaktų apšviesti nedidelį miestelį. Vakuuminės lempos dažnai perdegdavo, todėl prižiūrėtojai turėdavo nuolat jas keisti.

Tačiau nepaisant šių trūkumų, ENIAC buvo neįtikėtinai greitas savo laikams. Jis galėjo atlikti 5000 sudėčių per sekundę – tai, kas žmogui užimtų kelias valandas, ENIAC padarydavo per sekundes. Jis buvo naudojamas įvairiems skaičiavimams, įskaitant vandenilio bombos kūrimą ir oro prognozių modeliavimą.

Programavimas ENIAC buvo sudėtingas procesas. Reikėjo fiziškai perjungti laidus ir nustatyti jungiklius – kartais tai užtrukdavo kelias dienas. Dažnai programuotojos (taip, dauguma ENIAC programuotojų buvo moterys) praleisdavo daugiau laiko konfigūruojant mašiną nei ji vykdydavo programą.

Von Neumanno architektūra ir saugoma programa

Kitas svarbus žingsnis buvo koncepcijos, kad programa gali būti saugoma kompiuterio atmintyje kartu su duomenimis, sukūrimas. Šią idėją išplėtojo matematikas John von Neumann, dirbdamas su EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) projektu.

Iki tol kompiuteriai buvo programuojami fiziškai keičiant jų konfigūraciją. Von Neumanno architektūra pasiūlė, kad instrukcijos galėtų būti saugomos atmintyje kaip duomenys. Tai reiškė, kad kompiuterį galima perprogramuoti tiesiog įkeliant naują programą, o ne fiziškai perjungiant laidus.

Pirmasis kompiuteris, kuris pilnai įgyvendino šią koncepciją, buvo Manchester Baby (oficialiai vadinamas Manchester Small-Scale Experimental Machine), paleistas 1948 metais Didžiojoje Britanijoje. Nors jis buvo nedidelis ir turėjo labai ribotą atmintį (tik 32 žodžius), jis įrodė, kad saugomos programos koncepcija veikia.

Beveik visi šiuolaikiniai kompiuteriai naudoja von Neumanno architektūros principus. Jūsų išmanusis telefonas, nešiojamasis kompiuteris ar net mikrobangų krosnelė su skaitmeniniu valdymu – visi jie veikia pagal šiuos principus, sukurtus prieš daugiau nei 70 metų.

Tranzistoriai keičia žaidimo taisykles

Vakuuminės lempos buvo didelė problema. Jos buvo didelės, karštai kaitusios, daug vartojo elektros ir dažnai gesdavo. Sprendimas atėjo 1947 metais, kai Bell Labs buvo išrastas tranzistorius.

Tranzistorius galėjo atlikti tas pačias funkcijas kaip vakuuminė lempa – veikti kaip jungiklis ar stiprintuvas – bet buvo daug mažesnis, patikimesnis ir efektyvesnis. Pirmieji tranzistoriniai kompiuteriai pasirodė 1950-ųjų viduryje ir greitai tapo standartu.

TRADIC, užbaigtas 1954 metais, buvo pirmasis visiškai tranzistorinis kompiuteris. Jis turėjo 800 tranzistorių ir 10 000 germanio diodų. Nors pagal šiuolaikinius standartus tai atrodo juokingai mažai, tuo metu tai buvo didelis pasiekimas. Kompiuteris vartojo tik 100 vatų energijos – beveik 1500 kartų mažiau nei ENIAC.

IBM 1401, pristatytas 1959 metais, tapo vienu populiariausių ankstyviausių komercinių kompiuterių. Jis buvo prieinamas vidutinėms įmonėms ir plačiai naudojamas verslo programoms. Daugelis programavimo praktikų ir standartų, kuriuos naudojame šiandien, buvo sukurti dirbant su tokiais kompiuteriais.

Integrinės schemos ir mikroprocesoriai

Kitas revoliucinis žingsnis buvo integrinių schemų išradimas 1958 metais. Jack Kilby iš Texas Instruments ir Robert Noyce iš Fairchild Semiconductor nepriklausomai sukūrė būdą, kaip sujungti kelis tranzistorius ant vieno silicio luisto.

Tai leido sukurti vis sudėtingesnius ir mažesnius kompiuterius. 1960-aisiais metais viena mikroschema galėjo turėti keliolika tranzistorių. 1970-aisiais – tūkstančius. Šiandien šiuolaikiniai procesoriai turi milijardus tranzistorių ant vieno mažyčio luisto.

1971 metais Intel pristatė 4004 – pirmąjį komercinį mikroprocesorių. Tai buvo visas centrinis procesorius ant vieno luisto, turintis 2300 tranzistorių. Nors jis buvo sukurtas skaičiuotuvams, greitai tapo aišku, kad mikroprocesoriai gali būti naudojami įvairiose srityse.

Mikroprocesorių atsiradimas atvėrė kelią asmeniniams kompiuteriams. Staiga kompiuteris galėjo tilpti ant stalo, o ne užimti visą kambarį. 1970-ųjų pabaigoje ir 1980-ųjų pradžioje pasirodė pirmieji tikri asmeniniai kompiuteriai – Altair 8800, Apple II, Commodore 64, IBM PC. Kompiuteriai iš specializuotų mokslinių ir verslo įrankių tapo prieinami eiliniams žmonėms.

Nuo garažo iki kišenės: kompiuterių demokratizacija

Šiandien kompiuteriai yra visur. Jūsų telefone yra daugiau skaičiavimo galios nei turėjo NASA, kai siuntė žmones į Mėnulį. Jūsų automobilis turi dešimtis kompiuterių, valdančių viską nuo variklio iki oro kondicionavimo. Net jūsų šaldytuvas gali turėti procesorių.

Kelionė nuo Babbage’o analitinės mašinos iki šiuolaikinio išmaniojo telefono užtruko beveik du šimtmečius. Per tą laiką kompiuteriai tapo milijonus kartų greitesni, mažesni ir pigesni. Pirmieji kompiuteriai kainavo milijonus dolerių ir buvo prieinami tik vyriausybėms bei didelėms korporacijoms. Dabar galingas kompiuteris telpa jūsų kišenėje ir kainuoja mažiau nei vidutinis mėnesio atlyginimas.

Superkompiuteriai taip pat evoliucionavo. Šiuolaikiniai superkompiuteriai, tokie kaip Frontier JAV ar Fugaku Japonijoje, gali atlikti kvintilijonus (tai vienas su 18 nulių) operacijų per sekundę. Jie naudojami klimato modeliavimui, naujų vaistų kūrimui, branduolinių reakcijų simuliacijoms ir daugeliui kitų sudėtingų užduočių.

Įdomu tai, kad pagrindiniai principai išliko tie patys. Von Neumanno architektūra, sukurta 1940-aisiais, vis dar yra daugumos kompiuterių pagrindas. Dvejetainė sistema, kurią naudojo Zuse Z3, vis dar yra visų skaitmeninių kompiuterių kalba. Mes tiesiog išmokome daryti viską daug greičiau, mažiau ir efektyviau.

Ateitis žada dar daugiau pokyčių. Kvantiniai kompiuteriai gali revoliucionuoti skaičiavimus tam tikrose srityse. Dirbtinio intelekto sistemos jau dabar keičia tai, kaip naudojame kompiuterius. Biologiniai kompiuteriai, naudojantys DNR ar baltymų molekules, gali atverti visiškai naujas galimybes.

Bet kad ir kur nuvestų ateitis, svarbu prisiminti, kad visa tai prasidėjo nuo paprastos idėjos – sukurti mašiną, kuri galėtų atlikti skaičiavimus už mus. Nuo mechaninių krumpliaračių iki kvantinių bitų, nuo kambario dydžio mašinų iki nanokompiuterių – tai yra viena nuostabiausia technologijų evoliucijos istorijų, kurią žmonija kada nors sukūrė.