Historie počítačů

Počítače, jeden z nejgeniálnějších, nejzajímavějších a nejméně postradatelných vynálezů lidstva. Dnes je používají všichni, a kdybychom tento magický vynález neměli, nemohl by tento moderní svět, jak ho známe, existovat.

Z počátku se počítače používaly pouze pro matematické operace. Až na přelomu 20.  a 21.  století jim bylo přidáno grafické prostředí. Proto můžeme jako předchůdce počítačů považovat abakus (počítadlo), který se používal v Babylonii, dále logaritmické pravítko nebo třeba i mechanismus z Antikythéry, který dokázal velmi spolehlivě předpovídat pohyby Slunce, Měsíce, Merkuru, Venuše Marsu, Jupiteru a Saturnu, a dokonce dokázal předpovídat i zatmění Slunce nebo Měsíce.

Roku 1642 vytvořil francouzský matematik Blaise Pascal počítací stroj jménem Pascalina, který uměl nejdříve sčítat a odčítat (kulatými ciferníky) a v pozdějších variantách i násobit. V těchto myšlenkách pokračoval i německý matematik Gottfried Leibniz, který ale byl zastáncem binárního systému neboli čísel, které se skládají pouze ze 2 hodnot, a to buď z 1 nebo z 0 (tento systém se používá v dnešních digitálních počítačích).

Roku 1820 vytvořil Thomas de Colmar první úspěšně vyráběný počítací stroj, Arithmometr, který se používal až do roku 1915. Arithmometr fungoval na principu Leibnizova kola (vynaleznuté roku 1673 německým vědcem Gottfriedem Leibnizem, používalo se v počítačích do roku 1970, než byl vydán první mikročip). Jednotlivé číslice, byly zadávány posunutím ozubeného válce vedle Leibnizova kola.

 

V roce 1820 se začal anglický vědec Charles Babbage zabývat myšlenkou diferenčního stroje, který by dokázal spočítat libovolné funkce. Babbage se rozhodl preferovat desítkovou soustavu (0-9) na rozdíl od jeho předchůdců. Díky tomu fungoval stroj na hodinovém mechanismu. Babbage plánoval, že by stroj dokázal počítat až do 20místných čísel a programovat se měl podle papírových děrných karet. Bohužel projekt přestal být financován a provázelo ho spoustu technických chyb, proto se nikdy nedokončil. Roku 1832 navrhl analytický stroj, který měl fungovat mnohem lépe než diferenční, bohužel i tento stroj nebyl celý dokončen a byla vyrobena pouze jeho zmenšená verze.

S programováním děrných štítků na diferenční stroj a analytický stroj pomáhala Babbageovi matematička Ada Lovelace, která navrhla způsob, jak počítač naprogramovat. Zavedla několik programátorských pojmů, které se používají dodnes. Zároveň předpověděla, že jednou budou počítače řešit složité matematické úlohy. Stala se tak prvním programátorem.

 

Nultá generace počítačů

Teď se ale dostáváme do 30. let minulého století. V roce 1938 se povedlo německému inženýrovi Konradu Zuseovi dokončit počítač jménem Z1, který fungoval na principu binární soustavy, konkrétně na děrných štítcích. Ten byl však velmi poruchový. Tento a následující počítače Z2 a Z3 fungovaly pomocí elektronické součástky jménem relé, která dokáže spínat signál. Operace byly synchronizovány pomocí motoru o frekvenci 1 Hz. Paměť byla mechanická s aritmetikou v 22bitovém desetinném místě.

Následně byl vytvořen počítač Z2, který měl podobnou pamět jako Z1, která používala 16bitové celá čísla, obsahoval však víc relé a byl výkonnější. V roce 1941 vytvořil počítač Z3, který se stal prakticky použitelným počítačem, obsahoval 2600 elektromagnetických relé a používal se i k výpočtům u balistických raket V-2, bohužel všechny tyto 3 stroje byly zničeny nálety spojenců na konci 2. světové války. 

Avšak i přes tento pokrok byly počítače stále velmi nepraktické a počítání složitých matematických operací se buď dělalo ručně, nebo na mechanických kalkulátorech. Obě tyto možnosti trvaly nesmírně dlouho. Proto roku 1939 zhotovil John V. Atanasoff a jeho asistent Clifford Berry první digitální počítač fungující v binární soustavě. Aritmetická část, kde probíhaly veškeré matematické procesy, se skládala ze 300 elektronek. Paměť byla realizována bubnem, ve kterém bylo 23 kruhů a z toho každý měl 50 kondenzátorů (elektronická součástka, která dokáže po delší čas uchovat svůj elektrický náboj), kdy se náboje kondenzátorů musely periodicky opakovat. Tento princip obnovování soustavy kondenzátorů se používá dodnes. Počítač ale nebyl naprogramovatelný. Dokázal pouze spočítat 29 rovnic podle kterých byl navržen. I přesto to byl však velký pokrok pro počítače, hlavně díky tomu, že většina operací probíhala plně elektronicky.

V tom samém období začala takto smýšlet i firma IBM, v té době nejdůležitější firma zaměřující se na výpočetní techniku v Americe (dodnes má jedny z nejdůležitějších vynálezů na světě, jako např. ATM, disky, programovací jazyk SQL sloužící pro databáze, paměti pro počítače atd.), která začala vývoj počítače Mark I. Ten fungoval v desítkové soustavě a operace neprobíhaly plně elektronicky, avšak i přes jeho velikost (zabíral místnost o rozměrech 15 metrů), byl velmi účinný. Stroj sestával ze statické paměti, do které mohl operátor zadat pomocí děrných štítků čísla, a dynamické paměti, která ukládala mezivýpočty. Po úspěchu počítače Mark I. začala IBM pracovat na počítači Mark II., který měl být už celé sestaveno z relé a jiných elektronických součástek. Mark II. pak také sloužil americkému námořnictvu. Doposud je firma IBM jedna z nejdůležitějších firem zaměřující se na výpočetní techniku.

První generace počítačů

První generace počítačů už byla plně elektronická a programovatelná, většinou ale také velmi chybová a musela se neustále opravovat. Obvody, ve kterých probíhaly matematické operace byly složeny z Elektronek (vakuové trubice, které fungovaly na principu vedení elektrického proudu ve vakuu).

Od roku 1945 do roku 1955 pracoval pro americkou armádu počítač jménem ENIAC. Jednalo se o první počítač, který byl programovatelný (ABC nebyl), byl plně elektronický a využíval se k výpočtu palebných tabulek pro dělostřelectvo, později také+ k výpočtům u termonukleární bomby. Používal desítkovou soustavu a byl programován na děrných štítcích.

 

ENIAC byl následně inspirací pro počítač jménem MANIAC, podle architektury navrhnuté Johnem von Neumannem (Neumannovo schéma). Byl sestaven ve výzkumném centru v Los Alamos a byl stejně jako jeho předchůdce ENIAC používán pro výpočty u termonukleárních bomb. V roce 1956 jako první počítač v historii porazil člověka v šachách, avšak díky nedostatku výpočetní síly se šachovnice musela zmenšit na 6×6.

 

Druhá generace počítačů (1957 – 1965)

Druhá generace počítačů je charakterizována použitím tranzistorů v počítačích, které dokázaly zmenšit chybovost, zvýšit výpočetní kapacitu a zmenšit velikost. Tranzistor je polovodičová součástka, která dokáže spínat signál a díky tomu se může chovat jako logická jednotka. V této generaci se začínají počítače začleňovat do běžného života, mají komerční využití, nepoužívají se už jenom na univerzitách. Ale i přesto nemají nejlepší uživatelské prostředí. Vznikají první operační systémy. Už se neprogramuje ručně v binárním kódu, ale používají se programovací jazyky jako např. COBOL, FORTAN, LISP a ASSEMBLY.

Mezi nejdůležitější počítače této doby byly počítače firmy IBM (IBM 1620, IBM 7094) a UNIVAC, který dokonce dokázal předpovědět výhru amerického prezidenta Dwight D. Eisenhowera.

Třetí generace počítačů (1965 – 1980)

V tomto časovém období se začaly používat integrované obvody, což je spojení několika tranzistorů, díky kterým dokázal integrovaný obvod vykonávat nějakou určitou a mnohem složitější funkci. Díky tomuto technickému pokroku se dostalo k masivnímu zrychlení a zmenšení. Poprvé se i počítače staly dostupné pro standartní uživatele, kteří s počítačem interagovali pomocí příkazového řádku. Byla také poprvé použita klávesnice a myš. V tomto období byl zaveden pojem proces a multitasking.

Mezi nejdůležitější počítače patřily IBM systém 360, i v této době stále vládla trhu společnost IBM.

 

Čtvrtá generace počítačů

Toto je poslední generace počítačů, ve které se lidstvo zatím nachází. Vzhledem k tomu, že I/O (input/output) funkce řešilo spoustu integrovaných obvodů (IC), rozhodlo se přejít na VLSI technologii neboli mikroprocesory, které známe dnes. Prakticky to bylo navyšování počtu tranzistorů v řádu tisíců, posléze i miliard. Díky tomu měly mikroprocesory více funkcí a byly volně programovatelné v jazycích jako C, C++, ASSEMBLY. Velikost počítačů se rapidně zmenšovala každým rokem, zatímco se jejich výkon rapidně zvětšoval. Výrobní proces je udáván v nanometrech a určuje, jakou velikost má tranzistor. V tomto období přestává být IBM vedoucí firmou z hlediska vyrábění počítačů pro uživatele a začala se zaměřovat na výrobu serverů a výzkum.

 

Co bude dál?

Vzhledem k tomu že se výrobní proces začíná dostávat blízko k 2 nanometrům, začíná mít lidstvo problém s výpočetní technikou. Výrobní proces mikroprocesorů je totiž natolik malý, že bude fyzicky nemožné, díky jevu jménem kvantové tunelování, což je prakticky teleportování elektronu z jedné lokace do druhé, což by prakticky narušovalo princip tranzistorů. Díky tomu se vyvíjí kvantové počítače, kde by mohla hodnota 1 bitu být jak 0 tak 1, ale tohle téma si necháme na jiný článek.