Kompiuterių ištakos

Informacinis amžius prasidėjo idėja, kad mašinos gali imituoti mąstymo galias.

Įprastinė kompiuterių vystymosi istorija yra trumpa ir sparti. Jie atsirado kaip dideli monstrai pokarinėse laboratorijose. Mikroschemos juos leido sumažinti tiek, kad sutilpo ant stalo. Moore dėsnis^*) nusakė, kaip augs jų galia, o „Microsoft“ investavo į programinę įrangą.

Pirmieji „kompiuteriai“ buvo „žmonės“ – asmenys, kurie ranka skaičiavo sumas pildydami artilerijos lenteles. Siekdamas palengvinti jų darbą, Č. Babidžas sukūrė pirmą mechaninį skaičiavimo prietaisą. Pirmieji šiuolaikiniai kompiuteriai atsirado, kai tyrinėtojai sukūrė mašinas, galinčias panaudoti savo paskaičiavimų rezultatus pačių operacijų pakeitimui.

Tačiau skaičiavimai buvo atliekami ilgą laiką iki tranzistoriaus atsiradimo. Senovės astronomai mokėjo nuspėti dangaus kūnų judėjimą. Graikai nustatė Žemės formą ir dydį. Skaičiavimas visada buvo žmonių dalia ir siekis. Aritmetika, kaip ir skaitymas bei rašymas, padėdavo žmogui užsitikrinti padėtį visuomenėje.

Kompiuterija kilo iš poreikio pašalinti tą ribotumą. Pirmiausia atsirado skaičiuotuvai ir kasos aparatai, tačiau nemažiau svarbu buvo paieška tokių skaičiavimo būdų, kuriuos šiandien vadiname „programomis“. Pirmąkart tokia idėja kilo 1830-ais. 1790-ais, netrukus po Prancūzijos revoliucijos, Napoleonas Bonapartas nusprendė, kad respublikai reikia naujų žemėlapių, kad būtų sutvarkyti žemės nuosavybės mokesčiai. Jis taip pat nurodė, kad reikia senąją matų sistemą pakeisti naująja metrine sistema. Tam buvo pavesta sudaryti naujas matematines lenteles.

Tačiau 18-ame amžiuje skaičiavimai buvo atliekami rankomis. „Fabrike“ 60-80 žmonių sudėdavo ir atimdavo skaičius, kad užpildytų „Tables du Cadastre“ projekto lenteles. Tai buvo nuobodus darbas, nereikalaujantis ypatingų sugebėjimų – ir iš tikro, dauguma tų „kompiuterių“ buvo plaukų kirpėjos, netekusios darbo, kai nusirito daugelio aristokratų galvos.

Projektas truko 10 m, tačiau karo nualinta respublika neturėjo pakankamai lėšų darbų publikavimui. Rankraščiai dešimtmečius dulkėjo Mokslų akademijoje. Tačiau 1819 m. Paryžių aplankė 28 m. amžiaus anglas Čarlzas Babidžas (Charles Babbage), jau susipažinęs su „kompiuterių“ darbu, nes buvo kelis kartus prižiūrėjęs astronominių lentelių sudarymą.

Grįžęs į Angliją, jis nusprendė atkartoti prancūzų projektą, tačiau tai padarydamas mašinų pagalba. Tuo metu Angliją tąsė Industrinės revoliucijos skausmai. Žmonių ar gyvūnų atliekamas darbas nusileido mašinoms. Č. Babidžas nutarė, kad jos gali pakeisti ne tik raumenų, bet ir smegenų darbą. 1822 m. pasiūlė sukonstruoti Skaičiavimo mašiną. 1832 m. jis ne tik parengė savo veikiančios mašinos modelį, bet ir paskelbė savo „Mašinerijos ir manufaktūros ekonomijos“ veikalą, užsitikrindamas pramonės ekonomisto reputaciją. Po metų pradėjo kurti didesnių galimybių Analitinę mašiną, galinčia atlikti bet kokius aritmetinius veiksmus. Kaip ir šiuolaikinis kompiuteris, ji turėjo centrinį procesorių (malūną), atmintį (sandėlį) ir galimybę keisti savo funkcijas per įvedimo įrenginį pateikiant perfokortas. Iš esmės, tai buvo kompiuteris naudojant Viktorijos laikų technologijas. Deja, jam nepavyko jos sukurti (skaitykite daugiau apie Č. Babidžą ir jo mašinas).

Babidžo vizija, iš esmės, buvo skaitinis skaičiavimas – manipuliuojant skaičiais pagal nustatytus instrukcijų rinkinius. Po Babidžo prasidėjo kompiuterių „juodieji amžiai“ (anot anglų matematiko L.J. Comrie^**) ), trukę iki pat Antrojo pasaulinio karo. Tuo metu skaičiavimai buvo atliekami vadinamųjų analoginių kompiuterių pagalba. Tarkim, reikia nuspėti Saulės užtemimą. Skaitiniame skaičiavime reikia atlikti skaičiavimus. Tačiau buvo galima sukurti Saulės sistemos modelį, panaudojant krumpliaračius ir velenus, kuris „užbėgtų“ į ateitį.

Iki Antrojo pas. karo išskirtiniausias analoginis skaičiuotuvas buvo 1929 m. Vannevar Bush‘o MTI sukurtas Diferencialinis analizatorius (DA). Tuo metu JAV daug investavo į kaimo elektrifikaciją, o V. Bušas tyrė elektros perdavimus. Uždaviniai galėjo būti užrašyti įprastomis diferencialinėmis lygtimis, tačiau tuo metu jų sprendimui reikėjo labai daug laiko. DA duodavo apytikslį sprendinį visai neatlikdamas aritmetinių skaičiavimų. Mašina buvo gana didelė. Ji buvo „programuojama“ perjungiant jos dalis – panaudojant tokius įrankius, kaip atsuktuvai, raktai ir švininiai plaktukai. Nors jo suderinimui reikėjo nemažai laiko, aparatas per kelias minutes išspręsdavo lygtis, kurių sprendimas ranka būtų trukęs nemažai dienų. JAV ir Anglijoje buvo apie tuziną tokių mašinų.

Viena tokių mašinų buvo Merilando Aberdeen'o bandymų poligone. Artilerijos nutaikymui į taikinį reikia nustatyti pabūklų vamzdžių vertikalius ir horizontalius kampus. Žmonėms sudaryti šaudymų lenteles užimdavo 2-3 dienas. DA tam užtrukdavo tik 20 min.

1941 m. japonai užpuolė JAV Pearl Harbor'o jūrų bazę. Kare reikėjo daugiau šaudymo lentelių, kurių kiekvienoje buvo apie 3000 eilučių. Net su DA skaičiavimų kiekis buvo milžiniškas. Už 8 mylių nuo Aberdeen Pensilvanijos un-to Moore Elektronikos mokykla turėjo savo DA. 1942 m. 35 m. amžiaus John W. Mauchly kilo idėja, kaip galima paspartinti skaičiavimus: sukurti „elektroninį skaičiuotuvą“, kuriame mechanines komponentes pakeistų vakuuminės lempos. Jis savo idėja uždegė jaunąjį J. Presper Eckert‘ą („Pres“), jau rodžiusį elektroninio genijaus kibirkštėles.

Metus tęsėsi pasiūlymo kelionės, kol jis pasiekė 30 m. amžiaus leitenantą Herman Goldstine, gavusį matematikos daktaro laipsnį Čikagos un-te, prižiūrėjusį techninius ryšius tarp Abardeen ir Moore mokyklos. Per kelias dienas H. Goldstine išjudino projektą ir 1943 m. balandžio 9 d. prasidėjo ENIAC konstravimas. Tądien buvo J. Eckert‘o gimtadienis.

Daugelis inžinierių abejojo, ar ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) bus sukurtas. Buvo laikoma, kad lempų darbo trukmė yra apie 3000 valandų, o ENIAC pradiniame projekte buvo 5000 lempų. Tad mašina gturėjo funkcionuoti vos keletą minučių, kol kuris nors jų perdegs. Eckert‘as žinojo kad vakuuminės lempos linkę perdegti juos įjungiant ir išjungiant – ir tai buvo priežastis, kodėl radijo stotys niekada neišjungdavo savo įrangos. Kai kineskopai veikia gerokai žemiau nustatyto voltažo, jų gyvavimo trukmė būna ilgesnė.

Eckert‘as su komanda užbaigė ENIAC per 2,5 m. Ji svėrė 30 t ir vartojo 150 kW elektros energijos. Tačiau ji galėjo per sekundę atlikti 5000 sudėties operacijų ir paskaičiuoti sviedinio trajektoriją greičiau, nei šis pasiekdavo taikinį. Ir vis tik, ENIAC buvo sukurtas 1945 m – per vėlai, kad būtų pritaikytas kare. Jo pajėgumai irgi buvo riboti – jis atmintyje galėjo saugoti tik 20 skaičių. Mašinos programavimas trukdavo dienas ir tam reikėdavo perjunginėti kabelius. Be to, ENIAC buvo suprojektuotas, kad spręstų diferencialines lygtis, o tuo metu (pvz., Manheteno projektui) reikėjo ir dalinių išvestinių diferencialinių lygčių sprendimo.

Manheteno projekto konsultantu buvo John von Neumann‘as (skaitykite daugiau apie Džoną Neimaną) ir jis atvyko pažiūrėti ENIAC 1944 m. vasarą. Jis greitai pamatė elektroninių skaičiavimų galią ir po kelių mėnesių dalyvavo susirinkimuose dėl tobulesnio EDVAC kompiuterio sukūrimo. Į šio projektą Dž. Neimanas įtraukė neurologų Warren McCullough ir Walter Pitts idėjas apie smegenų loginių operacijų atlikimą. Juos buvo paveikę britų matematiko Alano Tiuringo 4-ojo dešimtm. darbai, kurie patvirtino, kad labai paprasta mašina gali spręsti labai sudėtingus uždavinius.

Neimano ESM turėjo 5-ias pagrindines dalis: atmintį, kurioje saugomai ne tik skaičiai, bet ir instrukcijos; aritmetinį įrenginį, atliekantį veiksmus; įvedimo „organą“, programų ir duomenų įvedimui į atmintį; išvedimo organą, skirtą rezultatų pateikimui; valdymo įrenginį, kuris turi koordinuoti operacijas. Ši architektūra leido keisti kompiuterio programą nekeiciant fizinės mašinos sandaros. Be to, programa galėjo dirbti su savo pačios instrukcijomis (tarsi jie būtų duomenys) – ir taip pati save keisti. Visa tai leido ne tik spręsti dalinių išvestinių dierencialines lygtis, bet suteikė pakankamą lankstumą, kuris sudarė kompiuterių mokslo pagrindą.

1945-ųjų birželio mėn. Dž. Neimanas grupės vardu parašė savo klasikinį „Pirmą ataskaitos apie EDVAC juodrašrį“. Nepaisant jo neužbaigtumo, jis greitai pasklido sukeldamas dvejopas pasekmes. Pirma, niekada nebuvo antrojo juodraščio. Antra, von Neimanas pasitraukė prisiėmęs didžiausią garbę.

Vėlesnio vystymosi išskirtiniausia savybė ta, kad kompiuteris buvo pritaikytas įvairiausioms reikmėms, nuo verslo duomenų apdorojimo ir asmeninio naudojimo iki globalaus informacinio tinklo sukūrimo. Kompiuterį galime sąlyginai skaidyti į tris dalis: aparatinę, programinę įrangas bei architektūrą. Aparatūros patobulinimai per 60-mt metų buvo fantastiniai. Lempas 6-ojo dešimtm. pabaigoje pakeitė tranzistoriai. 7-ojo pabaigoje mikroshemos talpino jau šimtus ir tūkstančius tranzistorių, patalpintų ant silicio „čipo“. 8-ojo dešmtm. Pradžioje mikroprocesorius „čipe“ turėjo visą skaičiavimo įrenginį ir leido sukurti personalinius kompiuterius bei naujus valdymo įrenginius – skirtų nuo purškimo sistemų iki balistinių raketų valdymo.

Programinės įrangos vystymasis buvo subtilesnis. 1947-48 m. Neimanas su Goldstine parašė eilė ataskaitų, kuriose aprašė tuziną procedūrų, tikėdamiesi, kad programuotojai žemo lygio priemonėmis jas pavers veikiančiomis programomis. Tuo metu programuoti buvo sunku. Maurice Wilkes sukūrė EDSAC, pirmąjį programas įsimenantį kompiuterį – jis savo „Memuaruose“ parašė, kad suprato, kad didesnę gyvenimo dalį praleido ieškodamas programose klaidų. Jis su kitais Kembridžo un-te sukūrė programų rašymo simboline forma metodą. 1957 m. IBM pristatė FORTRAN kalbą. 1964 m. Dartmouth‘o koledže John G. Kemeny ir Thomas E. Kurtz sukūrė BASIC, paprastą kalbą, kurią gali naudoti plati visuomenė, ir netgi jaunasis Bilas Geitsas.

Tuo tarpu kompiuterių architektūra, t.y. kompiuterio pagrindinių elementų loginiai sąryšiai, beveik nesivystė. Ir šiandien beveik visi kompiuteriai yra pagaminti naudojant 5-me dešimtm. von Neimano aprašytus principus.

Vis tik yra galimybių radikaliai evoliucijai. 9-me dešimtm. šoktelėjo susidomėjimais lygiagrečiaisiais skaičiavimais. Mokslininkai vėl žvalgosi į žmogaus smegenis, kad rastų naujų idėjų. Žinome, kad smegenys turi skirtingus centrus skirtingiems uždaviniams, pvz., veidų atpažinimui, balso suvokimui ir pan. Kai kuriuos nusižiūrėjimus mokslininkai realizuoja „neuroniniuose tinkluose“. Dėmesys sutelktas ir į kompiuterius iš gyvos medžiagos, pvz., DNR, o taip pat kompiuterius, panaudojančius kvantinės mechanikos principus (apie kvantinį kompiuterį skaitykite Algebra akimirksniu bei Kvantiniai kompiuteriai). Ir sunku dabar pasakyti, kaip atrodys kompiuteriai po 50-ies metų.

^*) Muro dėsnis - vieno iš „Intel“ įkūrėjų Gordon Moore (1929-2023) empirinis pastebėjimas 1965-ais (t.y. praėjus 6 m. po mikroschemo išradimo), kad tranzistorių kiekis mikroschemoje dvigubės kas dveji metai. Tad jis priėjo išvados, kad skaičiavimo įrenginių galia per trumpą laiką gali išaugti eksponentiškai. Vis tik 2003 m. jis paskelbė straipsnį „Eksponentinis augimas neamžinas“, kuriame pripažino, kad fizinių parametrų augimas eksponentiškai neįmanomas, nes nuolat susiduriama su kokiais nors apribojimais. O 2007 m. jis pareiškė, kad šis dėsnis netrukus liausis galiojęs dėl atominės medžiagos struktūros ir riboto šviesos greičio. Pagal šį dėsnį suformuluoti ir kiti panašūs teiginiai, pvz., „Antrasis Muro dėsnis“ (dar vadinamas Roko dėsniu pagal Arthur Rock) teigia, kad mikroschemų gamybos įmonės kaina dvigubėja kas 4 m.

^**) Leslis Komris (Leslie John Comrie, 1893-1950) – iš Naujosios Zelandijos kilęs amerikiečių astronomas ir mechaninių skaičiavimo prietaisų pionierius. Į JAV atvyko 1924-ais dėstyti skaitmeninius metodus Swarthmore koledže. 1928 m. paskelbė straipsnį „Apie lentelių sudarymą interpoliacijos būdu“ ir jame aprašė perfokortų panaudojimą tam tikslui. Tais pačiais metais jas panaudojo Mėnulio judėjimui 1935-2000 m. paskaičiavimui. 1937 m. įsteigė pirmąją mokslinių skaičiavimų kompaniją „Scientific Computing Service Ltd“. Karo metais vadovavo skaičiavimus atliekančiai grupei. Pasižymėjo ir kaip astronomas, publikavęs mokslinius ir populiarius straipsnius temomis nuo Saulės užtemimų prognozių iki žaliųjų blyksnių (optinio reiškinio, pasireiškiančio Saulei tekant ar leidžiantis.

Kiti HOT.LT straipsniai:
Čarlzas Babidžas
Jie to nesakė...
Kompiuterių istorija
Mažylis buvo pirmasis...
Ką vadiname programuotoju?
ABC – pirmasis kompiuteris?
Į Mėnulį skridę kompiuteriai
Technika: Nuo Paleolito laikų
Lambda išraiškos – Java į naują lygį
Konradas Cūzė ir jo C modeliai
Džonas fon Neimanas
Kobolo motina
Jau 50 m. „meinfreimams“
Programavimo kalbų klegesys
HAL 9000 – pramanytas kompiuteris
V. Bušas: žmogus, kuris neišrado kompiuterio
Unix ir C kalbos kiltis ir ... šachmatai
Styvo Džobso kelias į žvaigždes
Bilas Geitsas: kol dar nebuvo garsus
Algebra akimirksniu
Tikroji Interneto pabaiga
"Ruby" kalba ir RoR
Mūšis kibernetiniame pasaulyje
Ar mašina kada nors mąstys?
Danas Briklinas: skaičiuoklės autorius
Klodas Šenonas – žmogus, išradęs ateitį
Šriodingerio katinų dresiravimas: kvantiniai kompiuteriai
Pirmoji programuotoja: Ada Lovelace
O jei Napoleonas nebūtų panaikinęs dešimtainio laiko?
P-NP: Ant sveiko proto svarstyklių
Nekenčiu kalkuliatoriaus!
Naujojo tipo mokslas
Programavimo kalbų evoliucija
Seniausias pasaulyje analoginis kompiuteris
Debesies architektūra
Įsilaužimų istorija Nulio istorija