Historia i rozwój urządzeń elektronicznych

1. Jak wszystko się zaczęło?

Umiejętność liczenia pojawiła się, kiedy jeszcze nasi przodkowie żyli w grupach plemiennych, a rozwinęła wraz z powstaniem pierwszych państw – zorganizowanych form społecznych. Wtedy też narodziła się konieczność zautomatyzowania tej czynności.

Trzy tysiące lat p.n.e. znane już były pierwsze maszyny liczące – abakusy, zbliżone wyglądem do używanych jeszcze niedawno liczydeł. Abakusy to gliniane tabliczki z wyżłobionymi rowkami, w których umieszczano przesuwane kamyki. Pierwsze modele abakusa powstały trzy tysiące lat temu. Były one najdłużej w historii używanymi maszynami liczącymi. Jeszcze w latach 60. XX wieku uczono w szkołach sztuki posługiwania się następcą abakusa – liczydłem.

Rozwój techniki, a szczególnie mechaniki precyzyjnej w XVII i XVIII w., pozwolił na stworzenie nowych urządzeń liczących. Ich działanie opierało się na obracających się kołach zębatych. Wynalazek elektryczności i rozwój maszyn elektrycznych pozwolił na zastąpienie korbek i dźwigni zespołem silników i przekaźników elektrycznych. Wszystkie te urządzenia potrafiły wykonywać proste działania arytmetyczne, takie jak dodawanie i odejmowanie. Mnożenie polegało na wielokrotnym dodawaniu tych samych liczb.

Powstaje pytanie, co tamte maszyny mają wspólnego z dzisiejszymi komputerami, wykonującymi nie tylko bardzo skomplikowane obliczenia, ale generującymi też ruchome obrazy czy komponującymi muzykę. Otóż współczesne komputery potrafią niewiele więcej niż kalkulatory czy liczydła. Potrafią dodawać, odejmować, mnożyć, porównywać. Tyle że robią to bardzo szybko. Wszystko, co wykonuje komputer, wymaga opisu językiem matematyki i logiki. Opis ten stanowią programy, podprogramy, procedury sprowadzone w milionach operacji do poziomu najprostszych działań. Mądrość i „inteligencja” komputera to myśl ludzka, która go stworzyła i zapędziła do żmudnej pracy.

Historia komputera elektronicznego zaczyna się podczas II wojny światowej. W roku 1941 w Niemczech powstał elektromechaniczny komputer Z3, a w roku 1945 w USA – komputer ENIAC oparty na lampach elektronowych, który do niedawna uważany był za pierwszy komputer. Dotychczas używane koła zębate, przekaźniki i silniki zastąpiono lampowymi układami elektronicznymi. Do budowy wykorzystano prawie 20 tysięcy lamp elektronowych, a do zasilania tego komputera zbudowano oddzielną elektrownię. Średni bezawaryjny czas pracy maszyny wynosił… 2 godziny.

W roku 1948 amerykański matematyk, John von Neumann opracował koncepcję logiczną i zaproponował architekturę komputerów stosowaną do dziś.

2. Różne pomysły na komputer:

Technologie oparte na strukturze krzemu osiągają powoli granice fizycznych możliwości. Nie da się stworzyć elementów elektronicznych o grubości poniżej kilku średnic atomu. Oznacza to bliski kres zwiększania wydajności obecnie produkowanych procesorów. Dalszy rozwój techniki komputerowej oznacza przynajmniej częściowe pożegnanie z krzemem, wdrożenie technologii opartych na innych materiałach oraz pojawienie się nowych technik transmisji i nowych sposobów przetwarzania danych. Największe nadzieje wiązane są z komputerami optycznymi i kwantowymi, ale zainteresowanie budzą również bardziej fantastyczne rozwiązania, oparte na technologiach biologicznych.

Superkomputery

Superkomputery to komputery, których pamięć operacyjna to dziesiątki czy setki gigabajtów, a dyski potrafią pomieścić petabajty informacji. Stanowią wyposażenie wielkich centrów obliczeniowych. Zamknięte w olbrzymich, klimatyzowanych salach, zabezpieczone przed kurzem, umieszczone na specjalnych, przeciwdrganiowych fundamentach – w niczym nie przypominają komputera, który stoi na naszym biurku.

Tworzy je kilka, kilkanaście bądź kilkadziesiąt metalowych szaf wielkości człowieka, stojących w szeregu. Największe z nich zajmują powierzchnię stadionu sportowego.

Pierwszym superkomputerem był Cray 1, wyprodukowany w roku 1976 przez amerykańską firmę Cray Research. Produkcją superkomputerów zajmują się największe firmy elektroniczne: Cray, IBM, Silicon Graphic. Superkomputery znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach badań i projektów, takich jak przewidywanie pogody, prognozowanie trzęsień ziemi i huraganów, projektowanie samolotów i rakiet kosmicznych, symulacje zderzeń samochodów, badania genetyczne, przemysł chemiczny i farmaceutyczny.

Poszczególne jednostki superkomputera zbudowane są na bazie układów wieloprocesorowych – od kilku do kilkudziesięciu procesorów na jednostkę. Suma tych procesorów dla całego superkomputera sięga nawet kilku tysięcy. Do komunikacji z superkomputerem służą terminale – mogą to być zwykłe PC-ty połączone z supermaszyną za pośrednictwem karty sieciowej. W dużych ośrodkach obliczeniowych takich terminali może być kilkaset.

Komputery optyczne

Rozwój technologii optycznych, takich jak lasery i światłowody, zwrócił uwagę konstruktorów na możliwości wykorzystania ich w systemach komputerowych. Bardzo szybko wdrożono i rozwinięto systemy komunikacji między komputerami, oparte na liniach światłowodowych. Trwają mocno zaawansowane badania nad wdrożeniem technik optycznych do konstrukcji samych komputerów.

Zapewne wkrótce pojawią się komputery hybrydowe, w których techniki optyczne zastąpią obecne miedziane połączenia międzyukładowe. Światło zapewnia ogromną liczbę połączeń równoległych przy znikomych stratach mocy.

Podstawowe elementy współczesnych komputerów, oparte na strukturze krzemu, zawierają elementy dwustanowe, których czas przełączania wpływa na opóźnienia przesyłanego sygnału. Wprowadzenie optycznych bramek logicznych pozwoli na znaczne zmniejszenie tego opóźnienia, a tym samym umożliwi zwiększenie prędkości ich działania. Pierwsze optyczne bramki logiczne już istnieją, chociaż ich rozmiary nie należą do miniaturowych.

Na razie największą przeszkodą technik optycznych jest brak części pełniących rolę elementów pamięciowych. Jednak większość podstawowych problemów technologicznych została już rozwiązana. Komputery optyczne mogą pojawić się w produkcji w najbliższych kilku latach.

Komputery kwantowe

Sprowadzenie technologii do poziomu pojedynczych atomów, gdzie obowiązują już prawa mechaniki kwantowej, może zwiększyć moc obliczeniową komputerów tysiąckrotnie – tak przynajmniej szacują naukowcy. Zrozumienie zasady działania takiego komputera wymaga dobrej znajomości zasad fizyki kwantowej. Komputer, który stoi na naszym biurku, operuje informacją opisaną bitami.

Bit może przyjmować dwa stany: „0” lub „1”, plus lub minus, wysoki lub niski poziom. W mechanice kwantowej dopuszcza się równoprawne istnienie stanów pośrednich. Jednostkę informacji kwantowej stanowi qubit – superpozycja 0 i 1 (superpozycja to złożenie dwóch wielkości matematycznych lub fizycznych; w tym kontekście to złożenie dwóch stanów kwantowych).

Qubit reprezentuje zatem nieskończenie wiele wartości. Aby przeprowadzić operacje na wielu liczbach w komputerze klasycznym, należy liczby te kolejno wprowadzać do rejestrów. Komputer kwantowy daje możliwość równoczesnego umieszczenia wszystkich możliwych kombinacji liczb wejściowych w swoich rejestrach i wykonania na nich działania. Takie równoczesne prowadzenie obliczeń daje komputerowi kwantowemu ogromne możliwości.

---

Artykuł autorstwa: @gotsummerpl, dodany za pomocą serwisu ZapytajGeeka