Vznik a vývoj počítačov Peter Ďurik 4.A, 2001/2002
Hlinené tabuľky boli v priebehu stáročí nahradené skladnejším papyrusom,
neskôr pergamenom a papierom. Dá sa povedať, že s perom, atramentom, papierom a
vlastnou hlavou vystačili počtári celý stredovek. Hoci uzrelo svetlo svetaveľ
pomôcok súvisiacich s počtárstvom (stavenbé vymeriavace pomôcky, prevodové
tabuľky dĺžok, mier a váh, tabuľky násobkov a podielov čísel...), nezachoval sa
žiadny doklad o pokuse vytvoriť stroj, ktorý by automatizoval samotný
matematický proces výpočtu. V oblasti druhej triedy úloh, charakterizovanej
mnohonásobným opakovaním primitívnych výpočtov, už však matematika nestačila.
Tu sa muselo konečne presadiť technické nadanie fyzikov, matematikov a
konštruktérov 17. storočia. V roku 1623 Wilhem Schickard, neskôr r. 1647 Blaise
Pascal a r. 1671 G.W. Leibniz predviedli verejnosti prvé kalkulačné stroje.
Pascal získal na svoj stroj (schopný sčítať a odčítať) roku 1649 dokonca
kráľovský patent. Leibnizov stroj dokázal sčítať, odčítať, násobiť i deliť.
O počítacích automatoch sa začalo skutočne vážne diskutovať v súvislosti
so sčítaním ľudu v USA. Manuálne sčítanie, započaté r. 1880, si vyžiadalo sedem
rokov práce stoviek počtárov a výsledok bol za ten čas neaktuálny. V roku 1884
skonštruoval Dr. Herman Hollerith, zamestnanec Census Office (úrad pre sčítanie
ľudu), elektromechanický diernoštítkový sčítací stroj, pomocou ktorého
uskutočnili sčítanie ľudu v USA (1890-93) za tri roky, s opravou všetkých predošlých
sčítaní od roku 1900. Táto senzácia, prispela k tomu, že Hollerithova
spoločnosť (1914 Tabulating Machine Company, roku 1924 premenovaná na
International Business Machine, IBM ) získala značný kapitál, začala sa
profesionálne zaoberať strojovým spracovaním dát a sponzorovala neskorší
projekt prvých elektronických počítačov.
Počítače nultej generácie využívali vo funkcii
spínačov elektromagnetické relé. Prúd prechádzajúci cievkou zmagnetizuje
železné jadro, ktoré pritiahne pohyblivú kotvičku mechanicky prepínajúcu sadu
elektrických kontaktov. Prvý veľký releový počítač, MARK 1, dokončil roku 1944
v USA, s nákladom niekoľkých miliárd dolárov. Sídlil v 26
skriniach pozdĺž 15 metrovej haly, ukrývajúcich vyše 800 kilometrov medeného
drôtu. Celkove vzniklo na svete len niekoľko takýchto počítačov. Za zmienku
stojí aj prvý československý počítač SAPO. Hlavou nevýhodou reléových počítačov
bol pomalosť. Hoci reléové počítače poskytovali praktickú rýchlosť len niekoľko
desiatok operácií za sekundu a mali inteligenciu dnešnej vreckovej
kalkulačky, oplatilo sa investovať do nich tak veľký kapitál. MARK 1 využívaný
hlavne Fermiho skupinou na výpočty z oblasti jadrovej fyziky a koncom
2. svetovej vojny pomohol urýchliť konštrukciu atómovej bomby.
V 1. generácii boli pomalé
elektromechanické prvky nahradené čisto elektronickými, mnohonásobne
rýchlejšími elektrónkami. Rozžeravená katóda elektrónky emituje prúd
elektrónov, ktoré prechádzajú cez mriežku na kladnejšiu anódu. Ak ale mriežku
pripojíme k zápornejšiemu potenciálu, ako má katóda, budú elektróny
odpudzované späť a elektrónkou preteká prúd.
Elektrónky zvládnu teoreticky spínacie
frekvencie až rádovo stoviek MHz, čo by znamenalo výkon rádove 10 miliónov
operácií za sekundu. V každom prípade elektrónkový počítač spôsobil
revolúciu vo fyzike, aplikovanej matematike a výpočtovým metódam, ktoré
čakali na realizáciu celé desaťročia. Podobne ako aj reléové počítače, aj
systémy 1. generácie boli značne rozmerné, drahé, komplikované a energeticky
náročné. Prvý elektrónkový počítač ENIAC
(Electronic-Numeric-Integrator-And-Calculator) podľa projektu J.P. Eckerta
a J.W. Mauchlyho bol uvedený do prevádzky v roku 1946. Obsahoval 18
000 elektróniek, 70 000 rezistorov, 6 000 prepínačov a vážil 30 ton. Mal
sieťový príkon 140 kW, chladila ho zložitá klimatizačná sústava poháňaná údajne
dvoma leteckými motormi. Simuloval desiatkovú aritmetiku, programoval sa
v zdrojovom kóde. Ich rozmach bol v roku 1951.
Objav princípu polovodičového tranzistora 1948
umožnil podstatné zmenšenie rozmerov počítačov, skrátenie spojov a tým aj
ich čiastočné zrýchlenie. Tranzistory ako súčiastky boli nielen rádovo
dvadsaťkrát menšie, ale aj podstatne lacnejšie a spoľahlivejšie. Tri
elektródy tranzistora majú podobnú funkciu ako mriežka, katóda a anóda
v elektrónke: malým prúdom bázy možno riadiť vodivosť polovodičového
prechodu medzi emitorom a kolektorom. Zatiaľ čo životnosť elektrónky, daná
životnosťou wolframového žeraviaceho vlákna, sa dala počítať na roky, životnosť
tranzistora je takmer neobmedzená. Príkon tranzistora v porovnaní
s elektrónkou môže byť až tisícnásobne menší, čo znamenalo koniec
problémov s chladením a značnú úsporu energie.
S 2. generáciou sa rozbehla veľkosériová
výroba tzv. sálových počítačov. Naj úspešnejšie systémy niekoľkých monopolných
výrobcov (IBM, PDP, Hewlett Packard…) sa stali celosvetovým štandardom
a osvedčeným technickým vzorom pre neskoršie systémy tretej
generácie(napríklad systémy EC a SMEP v programe bývalej RVHP. Okrem
diernych štítkov a pások pribudli magnetické pásky, veľkokapacitné
magnetické disky, rýchlotlačiarne, súradnicové zapisovače. Na rozhraní prvej
a druhej generácie počítačov začínajú vznikať aj prvé medzinárodné
štandardy programovacích jazykov (ALGOL-1960, FORTRAN-1964, COBAL-1960).
Tretia generácia predstavuje revolúciu
v oblasti výpočtovej techniky. Za ich počiatok sa považuje rok 1964. Zvládnutie tzv. planárnej technológie
umožnilo umiestniť v jedinej mikroelektronickej súčiastke na ploche
niekoľko mm2 desiatky, neskôr stovky a tisíce
tranzistorov. Takáto súčiastka sa nazýva integrovaný obvod. Môže
združovať skupinu logických obvodov, časť pamäte či celý špecializovaný blok
počítača.
Mikroelektronika teda podstatne zlacnila
a zjednodušila výrobu počítačov. Na mieste niekoľkých tisícov tranzistorov
stačilo použiť niekoľko desiatok integrovaných obvodov. Mnohonásobne sa
zmenšili rozmery počítača, skrátili a zjednodušili spoje. Počítač
zaberajúci kedysi niekoľko miestností sa zmestil do jediného skriňového
stojanu. Typickým predstaviteľom u nás používaných systémov 3. generácie
boli napr. počítače radu EC a mikropočítače SMEP. Technológia výroby IO sa
však rýchlo zdokonaľovala, jednak v samotnom fyzikálnom princípe polovodičových
hradiel, jednak v zmysle zvyšovania hustoty integrácie:
1969 SSI (small scale integration)
10-ky tranzistorov na čipe
1970 MSI (medium scale integration) 100-ky tranzistorov na čipe
1973 LSI (large scale
integration) 1000-ce tranzistorov na čipe
1980 VLSI (very large …) 104
–106 tranzistorov v jednom IO
1985 WSI (wafer scale)
prepájanie funkčných modulov na čipe
1989 ULSI (ultra large) milióny tranzistorov v jednom
IO
Prvý typ súčiastky sa nazýva mikroprocesor,
t.j. procesor na jedinom kremíkovom čipe. V druhom prípade, ak súčiastka
okrem procesora obsahuje aj operačnú pamäť a vstupno/výstupné obvody,
hovoríme o jednočipovom mikropočítači. Systémy využívajúce takéto
súčiastky radíme do štvrtej generácie počítačov.
Na konštrukciu jednoduchého počítača dnes
stačí skutočne niekoľko integrovaných obvodov, takže sa celý zmestí na jedinú
dosku plošných spojov, prípadne do krabičky vreckového formátu. Znížením počtu
pájkovaných kontaktov sa mnohonásobne zvýšila spoľahlivosť. Skrátenie
vzdialeností umožňuje zvýšiť taktovaciu frekvenciu na kedysi nemysliteľných 200
MHz a operačnú rýchlosť rádovo na desať miliónov operácií za sekundu.
V roku 1972-1976 prišli na rad aj 8-bitové mikroprocesory, ktoré umožnili
lacnú výrobu domácich počítačov (Sinclair, Atari, Commodore, alebo naše PMD 85)
pre výkonnejšie personálne počítače vyvinul Intel v 80-tych rokoch rýchle
16-bitové (8086 / 186 / 286) a 32-bitové (80386) procesory. Novší procesor
od Intelu je 32-bitový 80486 (1991)
Jednou z ciest k zrýchleniu
počítačov je spolupráca mnohých procesorov v mutiprocesorovej sieti.
Takýto systém je však efektívny len pre úlohy, v ktorých sa principiálne
dá rozdeliť výpočet na súčastne vykonávateľné podprogramy, a vyžaduje
náročný spôsob programovania paralelných procesorov. Hustota integrácie dovoľuje použiť vnútornú
taktovaciu frekvenciu mikroprocesora rádu stoviek MHz, ale medziobvodové spoje
už z fyzikálnych dôvodov takéto frekvencie nepripúšťajú. Prenosové kanály
dosiahli šírku 64 až 128 bitov, vyrovnávacie pamäte si pamätajú celé bloky
predspracovaných inštrukcií a strategicky predvídajú adresy programových
skokov. Vývoj klasických kremíkových mikroelektronických technológií sa blíži
ku svojim fyzikálnym hraniciam, takže nejaké zásadné zrýchlenie za hranicou 108
operácií za sekundu. Ďalším problémom je lokálne prehrievanie čipov ULSI.
Tranzistor premieňa nepatrnú časť energie na teplo. Pri nízkych frekvenciách je
táto položka zanedbateľná, pri veľmi veľkých zmenách stavu a miliónoch
tranzistorov na čipe sa stáva kritickou. Od 70-tych rokov prebieha výskum
v oblasti integrovaných obvodov GaAs (využívajúce namiesto kremíka
gálium-arzenid), Takéto polovodičové súčiastky sú síce veľmi dobré, ale
tranzistory GaAs môžu spracovať signály s frekvenciou rádu GHz (109-1010),
čo by znamenalo až dvadsaťnásobné zrýchlenie klasických mikroprocesorov. Jednou
zo zaulímavých možností sú supravodivé obvody, v ktorých, vďaka nulovému
elektrickému odporu, nedochádza ani k premene energie na teplo, ani k rušeniu
elektromagnetickými vlnami. Supravodivý spínací prvok, tzv. Josephsonov spínač,
umožňuje zmenu logického stavu za niekoľko pikosekúnd (10-12 s), čo
predstavuje teoretickú možnosť tisícnásobného zrýchlenia klasického systému.
Problémom však je, že vhodné supravodivé vlastnosti získajú kovy až pri
teplotách tekutého hélia, takže aj keby sa podarilo Josophosonove spínače
miniaturizovať, potrebovali by sme pre takýto počítač veľmi nákladnú
chladničku.
Inú, reálnejšiu cestu ponúka fotonika: počítače na princípe svetelných
logických obvodov. Svetlo je odolné proti bežným elektromagnetickým rušeniam,
pretože jeho vlnové dĺžky (500-700 nm) sú rádovo desaťtisícnásobne kratšie ako
vlnové dĺžky rádiových vĺn i signálov produkovaných elektronickými
počítačmi. Prvý experimentálny optický procesor zostavený
z niekoľkých stoviek zrkadiel, šošoviek, fotosnímačov, vyvinuli pracovníci
firmy Toshiba v Japonsku roku 1991.
Vydal PhDr. Milan Štefanko – Vydavateľstvo IRIS