Historie výpočetní techniky

Počítač je stroj na zpracování informací. Než člověk vyvinul počítače, které používáme dneska, uplynula dlouhá doba. My si projdeme nejdůležitější milníky v tomto dlouhém vývoji.

První počítadla

Za prvního prapředka počítačů je považován abakus . Je to počítací pomůcka, založená na systému korálků, které na tyčkách či žlábcích kloužou nahoru a dolů. Vznik abakusu je skryt kdesi ve Starověku.

Abakus byl různými civilizacemi upraven. V Číně je znám pod názvem suan-pana , v Japonsku pod názvem soro ban , v Rusku pod názvem ščot .

Abakus je na Dálném Východě stále populární, učí se s ním počítat děti ve školách a v mnoha místech se stále používá v praxi.

Obrázek 1 - abakus

První mechanické kalkulačky

1614 – Anglický matematik John Napier zveřejňuje logaritmické tabulky . Tento objev umožňoval převést násobení a dělení, které bylo v té době poměrně komplikované na sčítání a odčítání.

log ( a∙b )=log ( a )+log ( b )

1623 – Wilhelm Schickard sestrojil první mechanickou kalkulačku, která uměla sčítat, odčítat, dělit a násobit. Zdá se, že byly postaveny pouze dva prototypy a ty se nyní nacházejí neznámo kde. Zachovala se pouze dokumentace a náčrtky, podle těchto náčrtků byl v roce 1960 Schickardův stroj zkonstruován.

Obrázek 2 – Schickardova kalkulačka

1642 – Blaise Pascal sestrojil kalkulačku Pascalinu. Tato kalkulačka umožňovala pouze sčítat a odčítat. Tato kalkulačka měla rozměry 50 x 10 x 7,5 cm. Bylo vyrobeno asi 50 exemplářů, z nichž některé se dochovaly a jsou uchovány v muzeích.

Obrázek 3 – Pascalina

1694 – Gottfried Leibniz zdokonalil Pascalovu kalkulačku tak, že již uměla násobit i dělit.

Obrázek 4 - Leibniz

1820 – Thomas de Colmar vynalezl první hromadně vyráběnou kalkulačku, která se nazývala Aritmometr . Umožňovala operace sčítání, odčítání, násobení a dělení a byla o dost rychlejší než kalkulačka Gottfrieda Leibnize. Aritmometr nadále fungoval v obměněných variantách až do 60. let 20. století, kdy byly mechanické kalkulačky vytlačeny elektrickými kalkulátory a posléze elektronickými počítači.

Obrázek 5 – Aritmometr

Děrné štítky

Děrný štítek je médium pro záznam dat pro pozdější zpracování na počítači. Bývají vyrobeny z tenkého kartonu, informace je reprezentována dírkou na určité pozici. Místa pro otvory jsou uspořádána do matice.

Obrázek 6 – derny stitek

Obrázek 7 – derny stitek

Jako první použil děrné štítky v roce 1805 tkadlec hedvábí Joseph Maria Jacquard , který pomocí nich řídil chod tkacího stavu.

V roce 1890 vynalezl Hermann Hollerith počítací stroj, který zpracovával a vyhodnocoval děrné štítky. Tento stroj byl použit pro sčítání lidu v USA, které by bez tohoto stroje trvalo 7 let.

Obrázek 8 – sčítací stroj

Charles Babbage

Prvním člověkem, který si uměl představit počítač v dnešním slova smyslu byl Charles Babbage. Tento profesor matematiky z Oxfordu byl udolán nekonečným množstvím chyb ve výpočtech, které prováděl pro Královskou astronomickou společnost. Rozhodl se tedy počítat pomocí automatických strojů poháněných parou. V roce 1833 předvedl návrh stroje na řešení diferenciálních rovnic. Kdyby byl tento stroj skutečně realizován, byla by to parou poháněná obluda velká jako lokomotiva, využívající vymoženosti průmyslové revoluce - mechanických převodů, čepů, ozubených válců, hřídelí apod. Babbage počítal s tím, že by jeho diferenciální stroj měl na ozubeném válci stanoven pevný program, podle kterého by prováděl zadané matematické operace a zároveň by i automaticky tiskl výsledky. Plných deset let života věnoval anglický vědec svému vynálezu. Potom jeho pozornost zcela zaujala myšlenka, vytvořit stroj, který by měl univerzální uplatnění a jehož využití by nebylo omezeno jenom na určitou oblast.

Pod názvem analytický stroj tak roku 1848 začal vznikat všeobecně použitelný počítač pracující na mechanické bázi který znamenal naprostý převrat a který předurčil základní rysy moderních výpočetních systémů. Nejbližším matematikovým spolupracovníkem přitom byla kupodivu žena, v té době věc naprosto nevídaná a málem nepředstavitelná. Byla jí Ada Augusta, kněžna z Lovelace . Díky svým mimořádným znalostem konstrukce a funkcí stroje pro něj mohla sestavit seznamy instrukcí, čímž se de facto stala první ženou - programátorkou. Na počest táto výjimečné ženy pojmenovalo americké Ministerstvo obrany nový programovací jazyk ADA.

Tento grandiózní analytický stroj nebyl nikdy plně realizován. Kdyby k tomu přece došlo, sestával by se z více než padesáti tisíc součástek. Mezi ně patřilo i čtecí zařízení pro zadávání pracovních instrukcí zakódovaných na děrových štítcích, “sklad”(paměť) o kapacitě jednoho tisíce až padesátimístných čísel, “mlýn”(řídící procesor) umožňující skládání instrukcí v jakémkoliv pořadí a výstupní zařízení zajišťující tisk výsledků.

Obrázek 9 – analytický stroj

Generace počítačů

Nultá generace

Za počítače nulté generace jsou považovány elektromechanické počítače využívající většinou elektromagnetické relé . Pracovaly obvykle na kmitočtu okolo 100 Hz. Hybnou silou vývoje nulté generace se stala Druhá světová válka kdy došlo paralelně k velkému pokroku v různých částech světa.

Elektromagnetické relé – Nebude se zabývat fungováním elektromagnetického relé z hlediska fyzikálního. Pro nás je důležité, že umí vytvořit dva stavy podle toho, zda do něj jde elektrická energie, nebo ne.

Obrázek 10 – rele1

Obrázek 11 – rele2

Počítače této generace se skládaly z velkého počtu skříní, které byly umístěny ve velkých halách. Tyto počítače byly využívány pro armádní výzkum.

Z1 – První fungující počítací stroj sestrojený německým matematikem Konrádem Zusem v roce 1938.

Mark I - Počítač dodán v roce 1944 Harvardově univerzitě, sestrojen Howardem Aikenem . Byl 15 metrů dlouhý, poháněný motorem o výkonu 3,7 kW, obsahoval 765 000 elektromechanických součástek, program nesla děrná páska.

Obrázek 12 – děrná páska

Obrázek 13 – Mark I

První generace

První generace počítačů je charakteristická použitím elektronek a v menší míře též ještě relé . Počítače byly poměrně neefektivní, měly velký příkon, velkou poruchovost a byly velmi drahé. Programy byly uchovávány na děrných štítcích a děrných páskách. Počítač obsluhoval tým lidí (konstruktéři, operátoři, technici).

Obrázek 14 - elektronka

ENIAC – V letech 1946 – 1955 pracoval pro americkou armádu. Obsahoval 17 468 elektronek, 7200 krystalových diod, 1500 relé, 70 000 rezistorů, 10 000 kondenzátorů, okolo 5 miliónů ručně pájených spojů, vážil 30 tun, zabíral 63 m3 (2,6 m × 0,9 m × 26 m), spotřebovával 150 kW elektrické energie a jeho vývoj stál 500 000 dolarů. Byl poměrně poruchový, každý den vyhořelo několik vakuových elektronek.

Obrázek 15 - ENIAC

Druhá generace

Druhá generace nastupuje s vynálezem tranzistorů , který dovolil díky svým vlastnostem zmenšení rozměrů celého počítače, zvýšení jeho rychlosti a snížení energetických nároků. V této generaci začínají vznikat první operační systémy a první programovací jazyky (COBOL, ALGOL, FORTRAN) a jazyk symbolických adres Assembler. Počítač druhé generace se již dostávají z armád a univerzit do firem.

Tranzistory jsou v dnešní době miniaturizovány a v procesorech dnes najdeme miliony tranzistorů.

Obrázek 16 – tranzistory

UNIVAC – v roce 1951 byl prvním sériově vyráběným počítačem. Místo děrných štítků začal používat magnetické pásky. http://cs.wikipedia.org/wiki/UNIVAC_I

PDP-8 – První domácí minipočítač a vrchol éry tranzistorových počítačů. Začal se prodávat v roce 1965 a prodalo se jej kolem 300 000 kusů.

Obrázek 17 – pdp-8

Třetí generace

V roce 1958 napadlo Jacka Kilbyho sdružit v jednom čipu více tranzistorů, vznikl tak první integrovaný obvod , obsahující čtyři tranzistory. Počítače třetí a vyšších generací jsou tedy vybudovány na integrovaných obvodech, které na svých čipech integrují velké množství tranzistorů.

Integrovaný obvod (IO) je moderní elektronická součástka. Jedná se o spojení (integraci) mnoha jednoduchých elektrických součástek, které společně tvoří elektrický obvod vykonávající nějakou složitější funkci.

Obrázek 18 – integrovaný obvod

Kromě velkých střediskových počítačů se začínají objevovat první minipočítače a mikropočítače . Počítače se z firme začínají dostávat do domácností. Aby byl výkon počítače co jak nejvíce využit, začíná se objevovat multitasking (zpracování více instrukcí najednou).

IBM System 360 – Nejznámější počítač třetí generace. Bylo vyrobeno více modelů s různým výkonem (od modelu 360/20 po model 360/90). Různé modely ale měly shodný soubor instrukcí, takže mohly používat stejný software.

Obrázek 19 – IBM 360

Altair 8800 – První úspěšný domácí mikropočítač. Začal se prodávat v roce 1975 a koupilo si jej několik desítek tisíc lidí.

Obrázek 20 – Altair 8800

Čtvrtá generace

Čtvrtá generace je charakteristická mikroprocesory a osobními počítači.

Vylepšená technologie tvorby integrovaných obvodů umožňovala miniaturizovat součástky natolik, že se veškeré funkce procesoru vešly na jeden integrovaný obvod, neboli chip – mikroprocesor. Dnešní počítače se od těch z roku 1981 liší pouze mnohonásobným zvýšením výkonu.

IBM PC 5150 – V roce 1981 první osobní počítač (personal computer)

Obrázek 21 – IBM PC

Apple Macintosh 128K – První úspěšný osobní počítač s grafickým uživatelským rozhraním (GUI). Na trh byl uveden v roce 1984.

Obrázek 22 - Macintosh

Budoucnost počítačů

V současné době se elektronika nachází ve své vrcholné fázi.

Moorův zákon: je empirické pravidlo, které roku 1965 vyslovil chemik a spoluzakladatel firmy Intel Gordon Moore . Původní znění bylo: „ počet tranzistorů, které mohou být umístěny na integrovaný obvod se při zachování stejné ceny zhruba každých 18 měsíců zdvojnásobí. “

I když, se počet tranzistorů zdvojnásobí přibližně co dva roky, je tento zákon považován za poměrně přesný odhad ekonomického vývoje.

Odhaduje se, že Moorův zákon bude platit přibližně do roku 2020-2030, pak se růst výkonů zastaví (elektronika narazí na své limity). Ve vývojových centrech už proto raší nové součástky. Jaké budou počítače budoucnosti? Biologické, chemické, optické, kvantové? Nechme se překvapit.

https://www.zive.cz/clanky/jak-se-vyrabi-procesory-od-pisku-po-cip/sc-3-a-168201/default.aspx

https://pctuning.tyden.cz/hardware/procesory-pamet/24350i -od-pisku-k-procesoru-vyroba- kremikoveho-waferu?start=2

https://www.alza.cz/kvantovy-pocitac-na-obzoru-art8391.htm

Otázky

1. Co je to abakus, soro ban, suan-pana a ščot?

2. Jaké operace bylo možné převést pomocí logaritmických tabulek?

3. Kdo sestavil první mechanickou kalkulačku a co tato kalkulačka uměla?

4. Co uměla kalkulačka Blaise Pascala, tzv. Pascalina?

5. Co je to děrný štítek a kdo začal děrné štítky používat jako první?

6. Jak by fungoval analytický stroj od Charlese Babbage, kdyby byl sestrojen?

7. Popište 0. generaci počítačů.

8. Popište 1. generaci počítačů.

9. Popište 2. generaci počítačů.

10. Popište 3. generaci počítačů.

11. Popište 4. generaci počítačů

12. Jak zní Mooreův zákon?