Historia om datorhårdvara

Datorhårdvara är en plattform för informationsbehandling .
Eniac.jpg
Historia av
datorhårdvara
programvara
Datavetenskap
Moderna koncept
Efter land
Tidslinje för datoranvändning
Ordlista för datavetenskap
Delar från fyra tidiga datorer, 1962. Från vänster till höger: ENIAC -kort, EDVAC -kort, ORDVAC -kort och BRLESC -I-kort, som visar trenden mot miniatyrisering .

Datorhårdvarans historia täcker utvecklingen från tidiga enkla enheter till hjälp med beräkningar till moderna datorer .

De första hjälpmedlen vid beräkning var rent mekaniska enheter som krävde att operatören ställde in de initiala värdena för en elementär aritmetisk operation och sedan manipulerade enheten för att få resultatet. Senare representerade datorer siffror i en kontinuerlig form (t.ex. avstånd längs en skala, rotation av en axel eller en spänning ). Siffror kan också representeras i form av siffror, automatiskt manipulerade av en mekanism. Även om detta tillvägagångssätt i allmänhet krävde mer komplexa mekanismer, ökade det avsevärt precisionen i resultaten. Utvecklingen av transistorteknologin och sedan det integrerade kretschippet ledde till en rad genombrott, som började med transistordatorer och sedan integrerade kretsdatorer, vilket fick digitala datorer att till stor del ersätta analoga datorer . Metall-oxid-halvledare (MOS) storskalig integration (LSI) möjliggjorde sedan halvledarminne och mikroprocessorn , vilket ledde till ett annat nyckelgenombrott, den miniatyriserade persondatorn (PC), på 1970-talet. Kostnaden för datorer blev gradvis så låg att persondatorer på 1990-talet, och sedan mobila datorer ( smartphones och surfplattor ) på 2000-talet, blev allestädes närvarande.

Tidiga enheter

Se även: Tidslinje för datorhårdvara före 1950

Forntida och medeltida

Ishango -benet tros vara en paleolitisk tallystick.
Suanpan (Numret som representeras på denna kulram är 6 302 715 408.)

Enheter har använts för att underlätta beräkningar i tusentals år, mestadels med en-till-en-korrespondens med fingrar . Den tidigaste räkneanordningen var troligen en form av räknestav . Lebombo -benet från bergen mellan Eswatini och Sydafrika kan vara den äldsta kända matematiska artefakten. Den är från 35 000 f.Kr. och består av 29 distinkta skåror som avsiktligt skars i en babians fibula . Senare journalföringshjälpmedel i hela den bördiga halvmånen inkluderade kalksten (lersfärer, kottar, etc.) som representerade antalet föremål, troligen boskap eller spannmål, förseglade i ihåliga obakade lerbehållare. Användningen av räknestavar är ett exempel. Kulramen användes tidigt för aritmetiska uppgifter . Det vi nu kallar den romerska kulramen användes i Babylonien redan ca. 2700–2300 f.Kr. Sedan dess har många andra former av räkenskapstavlor eller -bord uppfunnits. I ett medeltida europeiskt räknehus skulle en rutig duk placeras på ett bord och markörer flyttas runt på det enligt vissa regler, som ett hjälpmedel för att räkna ut pengar.

Flera analoga datorer konstruerades under antiken och medeltiden för att utföra astronomiska beräkningar. Dessa inkluderade astrolabiet och Antikythera-mekanismen från den hellenistiska världen (ca 150–100 f.Kr.). I det romerska Egypten tillverkade Hero of Alexandria (ca 10–70 e.Kr.) mekaniska anordningar inklusive automater och en programmerbar vagn. Andra tidiga mekaniska anordningar som användes för att utföra en eller annan typ av beräkningar inkluderar planisfären och andra mekaniska beräkningsanordningar som uppfanns av Al-Biruni ( ca 1000 e.Kr.); det ekvatorium och universella latitudoberoende astrolabiet av Al-Zarqali (ca 1015 e.Kr.); andra medeltida muslimska astronomers och ingenjörers astronomiska analoga datorer ; och det astronomiska klocktornet i Su Song (1094) under Song-dynastin . Slottsklockan , en vattendriven mekanisk astronomisk klocka som uppfanns av Ismail al-Jazari 1206, var den första programmerbara analoga datorn. [ ifrågasatt (för: Den citerade källan stöder inte påståendet, och påståendet är missvisande.) – diskutera ] Ramon Llull uppfann Lullian Circle: en tänkt maskin för att beräkna svar på filosofiska frågor (i det här fallet med kristendomen att göra) ) via logisk kombinatorik. Denna idé togs upp av Leibniz århundraden senare, och är därmed ett av grundelementen inom data- och informationsvetenskap .

Renässansberäkningsverktyg

Den skotske matematikern och fysikern John Napier upptäckte att multiplikation och division av tal kunde utföras genom addition respektive subtraktion av logaritmerna för dessa tal. När Napier producerade de första logaritmiska tabellerna behövde Napier utföra många tråkiga multiplikationer. Det var vid denna tidpunkt som han designade sina " Napiers ben ", en kulramsliknande anordning som kraftigt förenklade beräkningar som involverade multiplikation och division.

En modern skjutregel

Eftersom reella tal kan representeras som avstånd eller intervall på en linje, uppfanns skjutregeln på 1620-talet, strax efter Napiers arbete, för att tillåta multiplikation och division att utföras betydligt snabbare än vad som tidigare varit möjligt. Edmund Gunter byggde en beräkningsenhet med en enda logaritmisk skala vid University of Oxford . Hans enhet förenklade avsevärt aritmetiska beräkningar, inklusive multiplikation och division. William Oughtred förbättrade detta avsevärt 1630 med sin cirkulära linjal. Han följde upp detta med den moderna glidregeln 1632, i huvudsak en kombination av två Gunter-regler, som hölls ihop med händerna. Slidregler användes av generationer av ingenjörer och andra matematiskt involverade professionella arbetare, fram till uppfinningen av fickkalkylatorn .

Mekaniska miniräknare

År 1609 gjorde Guidobaldo del Monte en mekanisk multiplikator för att beräkna bråkdelar av en grad. Baserat på ett system med fyra växlar, motsvarar rotationen av ett index på en kvadrant 60 rotationer av ett annat index på en motsatt kvadrant. Tack vare denna maskin kan fel i beräkningen av första, andra, tredje och kvartsgrader undvikas. Guidobaldo är först med att dokumentera användningen av kugghjul för mekanisk beräkning.

Wilhelm Schickard , en tysk polymath , designade en räknemaskin 1623 som kombinerade en mekaniserad form av Napiers stavar med världens första mekaniska adderingsmaskin inbyggd i basen. Eftersom den använde sig av en entands växel fanns det omständigheter under vilka dess bärmekanism kunde fastna. En brand förstörde åtminstone en av maskinerna 1624 och man tror att Schickard var för nedslagen för att bygga en till.

Se genom baksidan av Pascals miniräknare . Pascal uppfann sin maskin 1642.

1642, medan han fortfarande var tonåring, började Blaise Pascal en del banbrytande arbete med räknemaskiner och efter tre års ansträngning och 50 prototyper uppfann han en mekanisk kalkylator . Han byggde tjugo av dessa maskiner (kallade Pascals kalkylator eller Pascaline) under de följande tio åren. Nio Pascalines har överlevt, varav de flesta visas på europeiska museer. Det pågår en debatt om huruvida Schickard eller Pascal ska betraktas som "uppfinnaren av den mekaniska kalkylatorn" och omfattningen av frågor som ska beaktas diskuteras på annat håll.

En uppsättning av John Napiers beräkningstabeller från omkring 1680

Gottfried Wilhelm von Leibniz uppfann stegräknaren och hans berömda stegade trummekanism runt 1672. Han försökte skapa en maskin som inte bara kunde användas för addition och subtraktion utan skulle använda en rörlig vagn för att möjliggöra multiplikation och division. Leibniz sa en gång "Det är ovärdigt för utmärkta män att förlora timmar som slavar i beräkningsarbete som säkert skulle kunna degraderas till någon annan om maskiner användes." Leibniz inkorporerade dock inte en fullt framgångsrik bärmekanism. Leibniz beskrev också det binära siffersystemet , en central ingrediens i alla moderna datorer. Men fram till 1940-talet var många efterföljande konstruktioner (inklusive Charles Babbages maskiner från 1822 och till och med ENIAC från 1945) baserade på decimalsystemet.

Detalj av en aritmometer byggd före 1851. Den ensiffriga multiplikatormarkören (elfenbensöverst) är markören längst till vänster.

Runt 1820 skapade Charles Xavier Thomas de Colmar vad som under resten av århundradet skulle bli den första framgångsrika, massproducerade mekaniska räknaren, Thomas Arithmometer . Den kan användas för att addera och subtrahera, och med en rörlig vagn kan operatören också multiplicera och dividera med en process av lång multiplikation och lång division. Den använde en trappstegstrumma liknande den som uppfanns av Leibniz. Mekaniska miniräknare var i bruk fram till 1970-talet.

Bearbetning av hålkortsdata

utvecklade den franska vävaren Joseph Marie Jacquard en vävstol där mönstret som vävdes kontrollerades av en papperstejp gjord av hålkort . Papperstejpen kunde bytas utan att ändra vävstolens mekaniska design. Detta var en milstolpe i programmerbarhet. Hans maskin var en förbättring jämfört med liknande vävstolar. Hålkort föregicks av hålband, som i maskinen som föreslagits av Basile Bouchon . Dessa band skulle inspirera till informationsinspelning för automatiska pianon och på senare tid numeriska styrmaskiner .

IBM bokföringsmaskiner för hålkort, 1936

I slutet av 1880-talet uppfann amerikanen Herman Hollerith datalagring på hålkort som sedan kunde läsas av en maskin. För att bearbeta dessa hålkort uppfann han tabulatorn och nyckelhålsmaskinen . Hans maskiner använde elektromekaniska reläer och räknare . Holleriths metod användes i USA:s folkräkning 1890 . Den folkräkningen behandlades två år snabbare än den tidigare folkräkningen. Holleriths företag blev så småningom kärnan i IBM .

År 1920 kunde elektromekaniska tabuleringsmaskiner lägga till, subtrahera och skriva ut ackumulerade totaler. Maskinens funktioner styrdes genom att sätta in dussintals trådbyglar i avtagbara kontrollpaneler . När USA inrättade social trygghet 1935, användes IBMs hålkortssystem för att bearbeta register över 26 miljoner arbetare. Hålkort blev allestädes närvarande inom industri och regering för redovisning och administration.

Leslie Comries artiklar om hålkortsmetoder och WJ Eckerts publicering av Punched Card Methods in Scientific Computation 1940, beskrev hålkortstekniker som var tillräckligt avancerade för att lösa vissa differentialekvationer eller utföra multiplikation och division med hjälp av flyttalsrepresentationer, allt på hålkort och enhetsinspelningsmaskiner . Sådana maskiner användes under andra världskriget för kryptografisk statistisk bearbetning, såväl som ett stort antal administrativa användningar. Astronomical Computing Bureau, Columbia University , utförde astronomiska beräkningar som representerade den senaste tekniken inom databehandling .

Miniräknare

Huvudartikel: Kalkylator
Curta - kalkylatorn kan också göra multiplikation och division.

På 1900-talet designades tidigare mekaniska miniräknare, kassaapparater, bokföringsmaskiner och så vidare för att använda elektriska motorer, med växelposition som representation för en variabels tillstånd. Ordet "dator" var en arbetstitel som tilldelades främst kvinnor som använde dessa miniräknare för att utföra matematiska beräkningar. På 1920-talet ledde den brittiske forskaren Lewis Fry Richardsons intresse för väderförutsägelser honom att föreslå mänskliga datorer och numerisk analys för att modellera vädret; Till denna dag behövs de mest kraftfulla datorerna på jorden för att på ett adekvat sätt modellera dess väder med hjälp av Navier–Stokes ekvationer .

Företag som Friden , Marchant Calculator och Monroe tillverkade mekaniska miniräknare från 1930-talet som kunde addera, subtrahera, multiplicera och dividera. 1948 introducerades Curta av den österrikiske uppfinnaren Curt Herzstark . Det var en liten , handvevad mekanisk kalkylator och som sådan en ättling till Gottfried Leibnizs stegräknare och Thomas aritmometer .

Världens första helt elektroniska skrivbordsräknare var den brittiska Bell Punch ANITA , som släpptes 1961. Den använde vakuumrör , kallkatodrör och dekatroner i sina kretsar, med 12 kallkatod "Nixie" -rör för sin display. ANITA sålde bra eftersom det var den enda elektroniska skrivbordsräknaren som fanns och var tyst och snabb . Rörtekniken ersattes i juni 1963 av den USA-tillverkade Friden EC-130, som hade en helt transistordesign, en stapel med fyra 13-siffriga siffror visade på en 5-tums (13 cm) CRT , och introducerade omvänd polsk notation (RPN).

Första generella datorenhet

Huvudartikel: Analytical Engine
En del av Babbage 's Difference Engine

Charles Babbage , en engelsk maskiningenjör och polymath , startade konceptet med en programmerbar dator. Han betraktades som " datorns fader " och konceptualiserade och uppfann den första mekaniska datorn i början av 1800-talet. Efter att ha arbetat på sin revolutionerande differensmotor , designad för att hjälpa till med navigationsberäkningar, insåg han 1833 att en mycket mer allmän design, en analytisk motor , var möjlig. Inmatningen av program och data skulle tillföras maskinen via hålkort , en metod som användes på den tiden för att rikta mekaniska vävstolar som Jacquardvävstolen . För utmatning skulle maskinen ha en skrivare, en kurvplotter och en klocka. Maskinen skulle också kunna stansa siffror på kort för att läsas in senare. Den använde vanlig bas-10 fastpunktsaritmetik.

Motorn inkorporerade en aritmetisk logikenhet , styrflöde i form av villkorlig förgrening och slingor , och integrerat minne , vilket gör den till den första designen för en allmändator som i moderna termer skulle kunna beskrivas som Turing-komplett .

Det skulle finnas en butik, eller ett minne, som kunde hålla 1 000 nummer med 40 decimalsiffror vardera (ca 16,7 kB ). En aritmetisk enhet , kallad "kvarn", skulle kunna utföra alla fyra aritmetiska operationer , plus jämförelser och eventuellt kvadratrötter . Ursprungligen var det tänkt som en skillnadsmotor som böjdes tillbaka på sig själv, i en allmänt cirkulär layout, med den långa butiken som gick ut åt ena sidan. (Senare ritningar visar en regulariserad rutnätslayout.) Liksom den centrala bearbetningsenheten (CPU) i en modern dator, skulle bruket förlita sig på sina egna interna procedurer, ungefär lika med mikrokod i moderna processorer, för att lagras i form av pluggar som sätts in i roterande trummor som kallas "fat", för att utföra några av de mer komplexa instruktioner som användarens program kan specificera.

Provmodell av en del av den analytiska motorn, byggd av Babbage, som visas på Science Museum, London

Det programmeringsspråk som ska användas av användare var besläktat med dagens assemblerspråk . Slingor och villkorlig förgrening var möjliga, och så språket som tänkt skulle ha varit Turing-komplett som senare definierats av Alan Turing . Tre olika typer av hålkort användes: ett för aritmetiska operationer, ett för numeriska konstanter och ett för laddnings- och lagringsoperationer, överföring av tal från lagret till den aritmetiska enheten eller tillbaka. Det fanns tre separata läsare för de tre typerna av kort.

Maskinen var ungefär ett sekel före sin tid. Men projektet bromsades av olika problem, inklusive tvister med maskinchefen som byggde delar till det. Alla delar till hans maskin måste tillverkas för hand – detta var ett stort problem för en maskin med tusentals delar. Så småningom upplöstes projektet med beslutet från den brittiska regeringen att upphöra med finansieringen. Babbages misslyckande med att slutföra den analytiska motorn kan främst tillskrivas svårigheter inte bara med politik och finansiering, utan också till hans önskan att utveckla en allt mer sofistikerad dator och att gå framåt snabbare än någon annan kunde följa. Ada Lovelace översatte och lade till anteckningar till " Sketch of the Analytical Engine " av Luigi Federico Menabrea . Detta verkar vara den första publicerade beskrivningen av programmering, så Ada Lovelace anses allmänt vara den första datorprogrammeraren.

Torres Quevedos elektromekaniska aritmometer från 1920, en av flera konstruktioner baserade på Babbage. Denna prototyp utförde automatiskt aritmetiska operationer och använde en skrivmaskin för att skicka kommandon och skriva ut resultaten.

Efter Babbage, även om han först inte var medveten om hans tidigare arbete, följde Percy Ludgate , en kontorist hos en majshandlare i Dublin, Irland. Han designade självständigt en programmerbar mekanisk dator, som han beskrev i ett verk som publicerades 1909. Två andra uppfinnare, Leonardo Torres y Quevedo och Vannevar Bush , följde också efter forskning baserad på Babbages arbete. I sina Essays on Automatics (1913) designade Torres y Quevedo en beräkningsmaskin av typen Babbage som använde elektromekaniska delar som inkluderade flyttalsrepresentationer och byggde en tidig prototyp 1920. Bushs papper Instrumental Analysis (1936) diskuterade att använda befintliga IBM-hålkort maskiner för att implementera Babbages design. Samma år startade han projektet Rapid Arithmetical Machine för att undersöka problemen med att konstruera en elektronisk digital dator.

Analoga datorer

Huvudartikel: Analog dator
Ytterligare information: Mekanisk dator
Sir William Thomsons tredje tidvattenförutsägande maskinkonstruktion, 1879–81

Under första hälften av 1900-talet ansågs analoga datorer av många vara framtidens datorer. Dessa enheter använde de ständigt föränderliga aspekterna av fysiska fenomen som elektriska , mekaniska eller hydrauliska kvantiteter för att modellera problemet som löses, i motsats till digitala datorer som representerade varierande kvantiteter symboliskt, eftersom deras numeriska värden förändras. Eftersom en analog dator inte använder diskreta värden, utan snarare kontinuerliga värden, kan processer inte upprepas tillförlitligt med exakt ekvivalens, som de kan med Turing-maskiner .

Den första moderna analoga datorn var en tidvattenförutsägande maskin , uppfann av Sir William Thomson , senare Lord Kelvin, 1872. Den använde ett system av remskivor och vajrar för att automatiskt beräkna förutspådda tidvattennivåer för en bestämd period på en viss plats och var av stor nytta för navigering i grunt vatten. Hans enhet var grunden för vidare utveckling inom analog datoranvändning.

Differentialanalysatorn , en mekanisk analog dator designad för att lösa differentialekvationer genom integration med hjälp av hjul-och-skiva - mekanismer, konceptualiserades 1876 av James Thomson , bror till den mer berömda Lord Kelvin. Han undersökte den möjliga konstruktionen av sådana miniräknare, men hindrades av det begränsade utgående vridmomentet från kul-och-skiva-integratorerna . I en differentialanalysator drev utsignalen från en integrator ingången till nästa integrator, eller en grafisk utmatning.

En Mk. I Drift Sight. Spaken precis framför bombsiktarens fingertoppar ställer in höjden, hjulen nära hans knogar ställer in vind och flyghastighet.

analog beräkning var utvecklingen av de första eldledningssystemen för långdistansskeppsskjutning . När skottfältet ökade dramatiskt i slutet av 1800-talet var det inte längre en enkel fråga att beräkna rätt siktpunkt, med tanke på granatens flygtider. Olika observatörer ombord på fartyget skulle vidarebefordra avståndsmått och observationer till en central plottstation. Där matade eldledningsteamen platsen, hastigheten och riktningen för fartyget och dess mål, såväl som olika justeringar för Corioliseffekt , vädereffekter på luften och andra justeringar; datorn skulle sedan mata ut en skjutlösning, som skulle matas till tornen för läggning. 1912 utvecklade den brittiske ingenjören Arthur Pollen den första elektriskt drivna mekaniska analoga datorn (kallad vid den tiden Argo Clock). Den användes ryska av den kejserliga flottan i första världskriget . [ citat behövs ] Det alternativa Dreyer Table- brandledningssystemet monterades på brittiska huvudfartyg i mitten av 1916.

Mekaniska anordningar användes också för att underlätta noggrannheten av flygbombningar . Drift Sight var det första sådant hjälpmedlet, utvecklat av Harry Wimperis 1916 för Royal Naval Air Service ; den mätte vindhastigheten från luften och använde den mätningen för att beräkna vindens effekter på bombernas bana. Systemet förbättrades senare med Course Setting Bomb Sight och nådde en klimax med andra världskrigets bombsikte, Mark XIV bomber sikte ( RAF Bomber Command ) och Norden ( USA:s arméflygvapen ).

Konsten att mekanisk analog beräkning nådde sin höjdpunkt med differentialanalysatorn , byggd av HL Hazen och Vannevar Bush vid MIT med start 1927, som byggde på de mekaniska integratörerna av James Thomson och vridmomentförstärkarna som uppfanns av HW Nieman. Ett dussin av dessa enheter byggdes innan deras föråldrade blev uppenbart; den mest kraftfulla konstruerades vid University of Pennsylvanias Moore School of Electrical Engineering , där ENIAC byggdes.

En helt elektronisk analog dator byggdes av Helmut Hölzer 1942 vid Peenemünde Army Research Center .

På 1950-talet hade framgången för digitala elektroniska datorer inneburit slutet för de flesta analoga datorer, men analoga hybriddatorer , kontrollerade av digital elektronik, förblev i betydande användning på 1950- och 1960-talen, och senare i vissa specialiserade tillämpningar.

Tillkomsten av den digitala datorn

Principen för den moderna datorn beskrevs först av datavetaren Alan Turing , som presenterade idén i sin framstående tidning från 1936, On Computable Numbers . Turing omformulerade Kurt Gödels resultat från 1931 om gränserna för bevis och beräkning, och ersatte Gödels universella aritmetikbaserade formspråk med de formella och enkla hypotetiska enheter som blev kända som Turing-maskiner . Han bevisade att en sådan maskin skulle kunna utföra alla tänkbara matematiska beräkningar om den kunde representeras som en algoritm . Han fortsatte med att bevisa att det inte fanns någon lösning på Entscheidungsproblemet genom att först visa att stoppproblemet för Turing-maskiner är obestämbart : i allmänhet är det inte möjligt att algoritmiskt bestämma om en given Turing-maskin någonsin kommer att stanna.

Han introducerade också begreppet en "universell maskin" (nu känd som en universell Turing-maskin ), med tanken att en sådan maskin skulle kunna utföra uppgifterna för vilken annan maskin som helst, eller med andra ord, den är bevisligen kapabel att beräkna vad som helst som är beräkningsbar genom att köra ett program lagrat på band, vilket gör att maskinen kan programmeras. Von Neumann erkände att det centrala konceptet för den moderna datorn berodde på detta papper. Turingmaskiner är än i dag ett centralt studieobjekt inom beräkningsteori . Med undantag för de begränsningar som deras ändliga minneslagringar innebär, sägs moderna datorer vara Turing-kompletta , vilket vill säga, de har algoritmexekveringsförmåga motsvarande en universell Turing-maskin .

Elektromekaniska datorer

Ytterligare information: Mekanisk dator § Elektromekaniska datorer

Eran av modern datoranvändning började med en uppsjö av utveckling före och under andra världskriget. De flesta digitala datorer som byggdes under denna period var elektromekaniska - elektriska strömbrytare drev mekaniska reläer för att utföra beräkningen. Dessa enheter hade en låg driftshastighet och ersattes så småningom av mycket snabbare helelektriska datorer, som ursprungligen använde vakuumrör .

Z2 var ett av de tidigaste exemplen på en elektromekanisk relädator och skapades av den tyske ingenjören Konrad Zuse 1940. Det var en förbättring av hans tidigare Z1 ; även om det använde samma mekaniska minne , ersatte det aritmetiken och kontrolllogiken med elektriska reläkretsar .

Replika av Zuses Z3 , den första helautomatiska, digitala (elektromekaniska) datorn

byggdes elektromekaniska enheter som kallas bomber av brittiska kryptologer för att hjälpa till att dechiffrera tyska Enigma-maskin- krypterade hemliga meddelanden under andra världskriget . Bombens initiala design skapades 1939 vid UK Government Code and Cypher School (GC&CS) i Bletchley Park av Alan Turing , med en viktig förfining utarbetad 1940 av Gordon Welchman . Den tekniska designen och konstruktionen gjordes av Harold Keen från British Tabulating Machine Company . Det var en betydande utveckling från en enhet som hade designats 1938 av den polska krypteringsbyråns kryptolog Marian Rejewski och känd som " kryptologisk bomb " ( polska : "bomba kryptologiczna" ).

1941 följde Zuse upp sin tidigare maskin med Z3 , världens första fungerande elektromekaniskt programmerbara , helautomatiska digitala dator. Z3 byggdes med 2000 reläer och implementerade en 22- bitars ordlängd som fungerade med en klockfrekvens på cirka 5–10 Hz . Programkod och data lagrades på stansad film . Det var ganska likt moderna maskiner i vissa avseenden, banbrytande för många framsteg som flyttalstal . Ersättning av det svårimplementerade decimalsystemet (använt i Charles Babbages tidigare design) med det enklare binära systemet innebar att Zuses maskiner var lättare att bygga och potentiellt mer pålitliga, med tanke på den teknologi som fanns tillgänglig vid den tiden. Z3 bevisades ha varit en Turing-komplett maskin 1998 av Raúl Rojas . I två patentansökningar från 1936 förutsåg Zuse också att maskininstruktioner kunde lagras i samma lagring som används för data - nyckelinsikten i vad som blev känd som von Neumann-arkitekturen, som först implementerades 1948 i Amerika i det elektromekaniska IBM SSEC och i Storbritannien i den helt elektroniska Manchester Baby .

Zuse drabbades av bakslag under andra världskriget när några av hans maskiner förstördes under allierade bombkampanjer. Tydligen förblev hans arbete i stort sett okänt för ingenjörer i Storbritannien och USA till långt senare, även om åtminstone IBM var medveten om det när det finansierade hans efterkrigsstartföretag 1946 i utbyte mot en option på Zuses patent.

1944 byggdes Harvard Mark I vid IBMs Endicott-laboratorier. Det var en liknande elektromekanisk dator för allmänt bruk som Z3, men var inte riktigt Turing-komplett.

Digital beräkning

Termen digital föreslogs först av George Robert Stibitz och hänvisar till där en signal, såsom en spänning, inte används för att direkt representera ett värde (som det skulle vara i en analog dator ), utan för att koda det. I november 1937 färdigställde Stibitz, som då arbetade på Bell Labs (1930–1941), en reläbaserad kalkylator som han senare kallade " Model K " (för " k itchen bord", som han hade satt ihop det på), vilket blev första binära adderaren . Vanligtvis har signaler två tillstånd - låg (vanligtvis representerar 0) och hög (vanligtvis representerar 1), men ibland trevärdig logik , särskilt i högdensitetsminne. Moderna datorer använder i allmänhet binär logik , men många tidiga maskiner var decimaldatorer . I dessa maskiner var den grundläggande enheten för data decimalsiffran, kodad i ett av flera scheman, inklusive binärkodad decimal eller BCD, bi-quinary , excess-3 och två-av-fem-kod .

Den matematiska grunden för digital beräkning är boolesk algebra , utvecklad av den brittiske matematikern George Boole i hans verk The Laws of Thought, publicerad 1854. Hans booleska algebra förfinades ytterligare på 1860-talet av William Jevons och Charles Sanders Peirce , och presenterades för första gången. systematiskt av Ernst Schröder och AN Whitehead . År 1879 utvecklar Gottlob Frege det formella förhållningssättet till logik och föreslår det första logiska språket för logiska ekvationer.

På 1930-talet, och arbetade självständigt, visade den amerikanske elektronikingenjören Claude Shannon och den sovjetiske logikern Victor Shestakov båda en en-till-en-överensstämmelse mellan begreppen boolesk logik och vissa elektriska kretsar, nu kallade logiska grindar , som nu är allestädes närvarande i digitala datorer. De visade att elektroniska reläer och omkopplare kan realisera uttrycken för boolesk algebra . Denna avhandling grundade i huvudsak praktisk digital kretsdesign . Dessutom ger Shannons papper ett korrekt kretsschema för en 4-bitars digital binär adderare.

Elektronisk databehandling

Atanasoff–Berry Computer replika på första våningen i Durham Center, Iowa State University

Rent elektroniska kretselement ersatte snart sina mekaniska och elektromekaniska motsvarigheter, samtidigt som digital beräkning ersatte analog. Maskiner som Z3 , Atanasoff –Berry Computer , Colossus-datorerna och ENIAC byggdes för hand, med kretsar som innehöll reläer eller ventiler (vakuumrör), och använde ofta hålkort eller stansat papperstejp för inmatning och som huvud (icke-flyktigt) lagringsmedium.

Ingenjören Tommy Flowers gick med i telekommunikationsgrenen av General Post Office 1926. Medan han arbetade på forskningsstationen i Dollis Hill på 1930-talet började han utforska möjlig användning av elektronik för telefonväxeln . Experimentell utrustning som han byggde 1934 togs i drift 5 år senare och omvandlade en del av telefonväxelnätverket till ett elektroniskt databehandlingssystem med hjälp av tusentals vakuumrör .

I USA uppfann Arthur Dickinson (IBM) 1940 den första digitala elektroniska datorn. Denna beräkningsenhet var helt elektronisk – kontroll, beräkningar och utdata (den första elektroniska displayen). John Vincent Atanasoff och Clifford E. Berry från Iowa State University utvecklade Atanasoff–Berry Computer (ABC) 1942, den första binära elektroniska digitala beräkningsenheten. Denna design var semi-elektronisk (elektromekanisk styrning och elektroniska beräkningar), och använde cirka 300 vakuumrör, med kondensatorer fixerade i en mekaniskt roterande trumma för minne. Dess papperskortskrivare/läsare var dock opålitlig och det regenerativa trumkontaktsystemet var mekaniskt. Maskinens speciella karaktär och bristen på föränderliga, lagrade program skiljer den från moderna datorer.

Datorer vars logik huvudsakligen byggdes med hjälp av vakuumrör är nu kända som första generationens datorer .

Den elektroniskt programmerbara datorn

Huvudartiklar: Colossus-dator och ENIAC
Colossus var den första elektroniska digitala programmerbara datorenheten och användes för att bryta tyska chiffer under andra världskriget. Den förblev okänd, som en militär hemlighet, långt in på 1970-talet.

Under andra världskriget uppnådde brittiska kodbrytare vid Bletchley Park , 64 km norr om London, ett antal framgångar med att bryta krypterad fientlig militär kommunikation. Den tyska krypteringsmaskinen Enigma attackerades först med hjälp av de elektromekaniska bomberna . Kvinnor använde ofta dessa bombmaskiner. De uteslöt möjliga Enigma-inställningar genom att utföra kedjor av logiska avdrag implementerade elektriskt. De flesta möjligheter ledde till en motsägelse, och de få som återstod kunde testas för hand.

Tyskarna utvecklade också en serie teleprinter-krypteringssystem, helt annorlunda än Enigma. Lorenz SZ 40/42 -maskinen användes för armékommunikation på hög nivå, kodnamnet "Tunny" av britterna. De första avlyssningarna av Lorenz-meddelanden började 1941. Som en del av en attack mot Tunny utvecklade Max Newman och hans kollegor Heath Robinson , en maskin med fast funktion för att hjälpa till med kodbrott. Tommy Flowers , en senior ingenjör vid Post Office Research Station rekommenderades till Max Newman av Alan Turing och tillbringade elva månader från början av februari 1943 med att designa och bygga den mer flexibla Colossus-datorn (som ersatte Heath Robinson ). Efter ett funktionstest i december 1943 skeppades Colossus till Bletchley Park, där den levererades den 18 januari 1944 och attackerade sitt första meddelande den 5 februari.

Krigsbild av Colossus nr 10

Colossus var världens första elektroniska digitala programmerbara dator . Den använde ett stort antal ventiler (vakuumrör). Den hade pappers-tejp-ingång och kunde konfigureras för att utföra en mängd olika booleska logiska operationer på sina data, men den var inte Turing-komplett . Datainmatning till Colossus var genom fotoelektrisk läsning av en papperstranskription av det krypterade avlyssnade meddelandet. Detta arrangerades i en kontinuerlig slinga så att det kunde läsas och läsas om flera gånger – det fanns inget internt minne för data. Läsmekanismen körde med 5 000 tecken per sekund med papperstejpen som rörde sig i 40 ft/s (12,2 m/s; 27,3 mph). Colossus Mark 1 innehöll 1500 termionventiler (rör), men Mark 2 med 2400 ventiler och fem processorer parallellt, var både 5 gånger snabbare och enklare att använda än Mark 1, vilket påskyndade avkodningsprocessen kraftigt. Mark 2 designades medan Mark 1 byggdes. Allen Coombs tog över ledningen av Colossus Mark 2-projektet när Tommy Flowers gick vidare till andra projekt. Den första Mark 2 Colossus blev operativ den 1 juni 1944, lagom till den allierade invasionen av Normandie på D-dagen .

Det mesta av användningen av Colossus var att bestämma startpositionerna för Tunny-rotorerna för ett meddelande, som kallades "hjulinställning". Colossus inkluderade den första användningen någonsin av skiftregister och systoliska arrayer , vilket möjliggjorde fem samtidiga test, var och en involverade upp till 100 booleska beräkningar . Detta gjorde det möjligt att undersöka fem olika möjliga startpositioner för en transitering av papperstejpen. Förutom hjulinställning inkluderade några senare Colossi mekanismer avsedda att hjälpa till att bestämma stiftmönster som kallas "hjulbrott". Båda modellerna var programmerbara med strömbrytare och kontaktpaneler på ett sätt som deras föregångare inte hade varit. Tio Mk 2 Colossi var operativa i slutet av kriget.

ENIAC var den första Turing-kompletta elektroniska enheten och utförde ballistiska banaberäkningar för USA:s armé .

Utan användningen av dessa maskiner skulle de allierade ha berövats den mycket värdefulla intelligens som erhölls genom att läsa den enorma mängden krypterade telegrafiska meddelanden på hög nivå mellan det tyska överkommandot (OKW) och deras arméledningar i hela det ockuperade Europa. Detaljer om deras existens, design och användning hölls hemliga långt in på 1970-talet. Winston Churchill utfärdade personligen en order om att de förstörs i bitar som inte var större än en mans hand, för att hålla hemligheten att britterna var kapabla att knäcka Lorenz SZ-cypher (från tyska rotorströmchiffermaskiner) under det kommande kalla kriget. Två av maskinerna överfördes till den nybildade GCHQ och de andra förstördes. Som ett resultat av detta ingick inte maskinerna i många datorhistorier. En rekonstruerad arbetskopia av en av Colossus-maskinerna visas nu på Bletchley Park.

Den USA-byggda ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) var den första elektroniska programmerbara datorn som byggdes i USA. Även om ENIAC liknade Colossus var den mycket snabbare och mer flexibel. Det var entydigt en Turing-komplett enhet och kunde beräkna alla problem som skulle passa in i dess minne. Liksom Colossus definierades ett "program" på ENIAC av tillstånden för dess patchkablar och switchar, långt ifrån de lagrade elektroniska programmaskinerna som kom senare. När ett program väl skrivits måste det ställas in mekaniskt i maskinen med manuell återställning av pluggar och strömbrytare. Programmerarna av ENIAC var kvinnor som hade utbildats till matematiker.

Den kombinerade elektronikens höga hastighet med förmågan att programmeras för många komplexa problem. Den kunde lägga till eller subtrahera 5000 gånger per sekund, tusen gånger snabbare än någon annan maskin. Den hade också moduler för att multiplicera, dividera och kvadratrot. Höghastighetsminnet var begränsat till 20 ord (motsvarande cirka 80 byte). Byggd under ledning av John Mauchly och J. Presper Eckert vid University of Pennsylvania, ENIAC:s utveckling och konstruktion varade från 1943 till full drift i slutet av 1945. Maskinen var enorm, vägde 30 ton, använde 200 kilowatt elektrisk kraft och innehöll över 18 000 vakuumrör, 1 500 reläer och hundratusentals motstånd, kondensatorer och induktorer. En av dess stora tekniska bragder var att minimera effekterna av rörutbrändhet, vilket var ett vanligt problem i maskinens tillförlitlighet vid den tiden. Maskinen var i nästan konstant användning under de kommande tio åren.

Dator med lagrat program

Huvudartikel: Dator med lagrat program
Ytterligare information: Lista över vakuumrörsdatorer

Tidiga datorer utförde den fastställda sekvensen av steg, känd som ett "program" , som kunde ändras genom att ändra elektriska anslutningar med strömbrytare eller en patchpanel (eller plugboard ). Men denna process med "omprogrammering" var ofta svår och tidskrävande, vilket krävde ingenjörer att skapa flödesscheman och fysiskt koppla om maskinerna. Datorer med lagrade program, däremot, designades för att lagra en uppsättning instruktioner (ett program ) i minnet - vanligtvis samma minne som lagrad data.

Teori

Design av von Neumann-arkitekturen , 1947

Den teoretiska grunden för den lagrade programdatorn hade föreslagits av Alan Turing i sin uppsats från 1936. 1945 gick Turing med i National Physical Laboratory och började sitt arbete med att utveckla en elektronisk dator med lagrat program. Hans rapport från 1945 "Proposed Electronic Calculator" var den första specifikationen för en sådan enhet.

Samtidigt cirkulerade John von Neumann vid Moore School of Electrical Engineering , University of Pennsylvania , sitt första utkast till en rapport om EDVAC 1945. Även om den i huvudsak liknade Turings design och innehöll relativt lite tekniska detaljer, blev datorarkitekturen den skisserade känd. som " von Neumann-arkitekturen ". Turing presenterade ett mer detaljerat dokument för National Physical Laboratory (NPL) Executive Committee 1946, och gav den första någorlunda kompletta designen av en dator med lagrat program, en enhet som han kallade Automatic Computing Engine (ACE). Den mer kända EDVAC- designen av John von Neumann , som kände till Turings teoretiska arbete, fick dock mer publicitet, trots dess ofullständiga karaktär och tvivelaktiga brist på tillskrivning av källorna till några av idéerna.

Turing trodde att hastigheten och storleken på datorminnet var avgörande faktorer, så han föreslog ett höghastighetsminne på vad som idag skulle kallas 25 KB , tillgängligt med en hastighet av 1 MHz . ACE implementerade subrutinsamtal , medan EDVAC inte gjorde det, och ACE använde också förkortade datorinstruktioner, en tidig form av programmeringsspråk .

Manchester Baby

Huvudartikel: Manchester Baby
Three tall racks containing electronic circuit boards
En del av den ombyggda Manchester Baby , den första elektroniska datorn med lagrade program

Manchester Baby (Small Scale Experimental Machine, SSEM) var världens första elektroniska dator med lagrade program . Det byggdes vid Victoria University of Manchester av Frederic C. Williams , Tom Kilburn och Geoff Tootill, och körde sitt första program den 21 juni 1948.

Maskinen var inte tänkt att vara en praktisk dator utan designades istället som en testbädd för Williams-röret , den första digitala lagringsenheten med direkt åtkomst . Uppfanns av Freddie Williams och Tom Kilburn vid University of Manchester 1946 och 1947, det var ett katodstrålerör som använde en effekt som kallas sekundär emission för att tillfälligt lagra elektronisk binär data och användes framgångsrikt i flera tidiga datorer.

Babyn beskrevs som liten och primitiv i en retrospektiv 1998 och var den första fungerande maskinen som innehöll alla de element som är nödvändiga för en modern elektronisk dator. Så fort den hade visat genomförbarheten av sin design initierades ett projekt vid universitetet för att utveckla designen till en mer användbar dator, Manchester Mark 1 . Mark 1 blev i sin tur snabbt prototypen för Ferranti Mark 1 , världens första kommersiellt tillgängliga allmändator.

Babyn hade en ordlängd på 32 bitar och ett minne på 32 ord. Eftersom den var designad för att vara den enklaste möjliga lagrade programdatorn, var de enda aritmetiska operationerna som implementerades i hårdvara subtraktion och negation ; andra aritmetiska operationer implementerades i programvara. Det första av tre program som skrevs för maskinen hittade den högsta korrekta divisorn på 2 18 (262 144), en beräkning som man visste skulle ta lång tid att köra – och därmed bevisa datorns tillförlitlighet – genom att testa varje heltal från 2 18 − 1 nedåt, eftersom division genomfördes genom upprepad subtraktion av divisorn. Programmet bestod av 17 instruktioner och kördes i 52 minuter innan det kom fram till det korrekta svaret på 131 072, efter att Baby hade utfört 3,5 miljoner operationer (för en effektiv CPU-hastighet på 1,1 kIPS ) . De successiva approximationerna till svaret visades som ett mönster av prickar på utgångs- CRT som speglade mönstret som hölls på Williams-röret som användes för lagring.

Manchester Mark 1

SSEM ledde till utvecklingen av Manchester Mark 1 vid University of Manchester. Arbetet började i augusti 1948, och den första versionen var operativ i april 1949; ett program skrivet för att söka efter Mersenne-primtal körde felfritt i nio timmar natten mellan den 16 och 17 juni 1949. Maskinens framgångsrika drift rapporterades allmänt i den brittiska pressen, som använde frasen "elektronisk hjärna" när de beskrev den för sina läsare.

Datorn är särskilt historiskt betydelsefull på grund av dess banbrytande införande av indexregister , en innovation som gjorde det lättare för ett program att läsa sekventiellt genom en rad ord i minnet. Trettiofyra patent resulterade från maskinens utveckling, och många av idéerna bakom dess design införlivades i efterföljande kommersiella produkter som IBM 701 och 702 samt Ferranti Mark 1. Chefsdesignerna, Frederic C. Williams och Tom Kilburn , drog slutsatsen från sina erfarenheter av Mark 1 att datorer skulle användas mer i vetenskapliga roller än i ren matematik. 1951 började de utvecklingsarbete på Meg , Mark 1:s efterträdare, som skulle inkludera en flyttalsenhet .

EDSAC

EDSAC

Den andra utmanaren för att vara den första igenkännbart moderna digitala lagrade programdatorn var EDSAC , designad och konstruerad av Maurice Wilkes och hans team vid University of Cambridge Mathematical Laboratory i England vid University of Cambridge 1949. Maskinen inspirerades av John von Neumanns nyskapande första utkast till en rapport om EDVAC och var en av de första användbara elektroniska digitala lagrade programdatorerna .

EDSAC körde sina första program den 6 maj 1949, då den beräknade en tabell med kvadrater och en lista med primtal . EDSAC fungerade också som grund för den första kommersiellt använda datorn, LEO I , som användes av livsmedelstillverkningsföretaget J. Lyons & Co. Ltd. EDSAC 1 stängdes slutligen den 11 juli 1958, efter att ha ersatts av EDSAC 2 som förblev i bruk till 1965.

"Hjärnan" [datorn] kan en dag komma ner till vår nivå [som vanligt folk] och hjälpa till med våra inkomstskatter och bokföringsberäkningar. Men detta är spekulationer och det finns inga tecken på det än så länge.

— Den brittiska tidningen The Star i en nyhetsartikel från juni 1949 om EDSAC- datorn, långt före persondatorernas era.

EDVAC

EDVAC

ENIAC- uppfinnarna John Mauchly och J. Presper Eckert föreslog EDVAC :s konstruktion i augusti 1944, och konstruktionsarbetet för EDVAC påbörjades vid University of Pennsylvanias Moore School of Electrical Engineering, innan ENIAC var helt i drift. Designen implementerade ett antal viktiga arkitektoniska och logiska förbättringar som skapades under ENIAC:s konstruktion, och ett höghastighetsminne med seriell åtkomst . Emellertid lämnade Eckert och Mauchly projektet och dess konstruktion störtade.

Den levererades slutligen till US Army 's Ballistics Research Laboratory vid Aberdeen Proving Ground i augusti 1949, men på grund av ett antal problem började datorn fungera först 1951, och då endast i begränsad omfattning.

Kommersiella datorer

Den första kommersiella datorn var Ferranti Mark 1 , byggd av Ferranti och levererad till University of Manchester i februari 1951. Den var baserad på Manchester Mark 1 . De viktigaste förbättringarna jämfört med Manchester Mark 1 var storleken på det primära lagringsutrymmet (med Williams-rör med slumpmässig tillgång ), sekundär lagring (med en magnetisk trumma ), en snabbare multiplikator och ytterligare instruktioner. Den grundläggande cykeltiden var 1,2 millisekunder, och en multiplikation kunde slutföras på cirka 2,16 millisekunder. Multiplikatorn använde nästan en fjärdedel av maskinens 4 050 vakuumrör (ventiler). En andra maskin köptes av University of Toronto , innan designen reviderades till Mark 1 Star . Minst sju av dessa senare maskiner levererades mellan 1953 och 1957, en av dem till Shells laboratorier i Amsterdam.

I oktober 1947 beslutade direktörerna för J. Lyons & Company , ett brittiskt cateringföretag känt för sina tebutiker men med starka intressen för nya tekniker för kontorshantering, att ta en aktiv roll för att främja den kommersiella utvecklingen av datorer. LEO I -datorn (Lyons Electronic Office) togs i bruk i april 1951 och körde världens första vanliga rutinmässiga kontorsdatorjobb . Den 17 november 1951 inledde företaget J. Lyons veckovis drift av ett bagerivärderingsjobb på LEO – den första affärsapplikationen som gick live på en dator med lagrat program.

I juni 1951 levererades UNIVAC I (Universal Automatic Computer) till US Census Bureau . Remington Rand sålde så småningom 46 maskiner för mer än 1 miljon USD vardera (10,4 miljoner USD 2023). UNIVAC var den första "massproducerade" datorn. Den använde 5 200 vakuumrör och förbrukade 125 kW effekt. Dess primära lagring var kvicksilverfördröjningslinjer med seriell åtkomst som kan lagra 1 000 ord med 11 decimalsiffror plus tecken (72-bitars ord).

Frontpanelen på IBM 650

IBM introducerade en mindre, mer prisvärd dator 1954 som visade sig vara mycket populär. IBM 650 vägde över 900 kg , den bifogade strömförsörjningen vägde cirka 1350 kg och båda hölls i separata skåp på ungefär 1,5 × 0,9 × 1,8 m . Systemet kostade 500 000 USD (5,05 miljoner USD från 2023) eller kan hyras för USD 3 500 per månad (40 000 USD från och med 2023). Dess trumminne var ursprungligen 2 000 tiosiffriga ord, senare utökat till 4 000 ord. Minnesbegränsningar som denna skulle dominera programmering i decennier efteråt. Programinstruktionerna hämtades från den snurrande trumman när koden kördes. Effektiv exekvering med trumminne tillhandahölls av en kombination av hårdvaruarkitektur – instruktionsformatet inkluderade adressen till nästa instruktion – och programvara: Symbolic Optimal Assembly Program , SOAP, tilldelade instruktioner till de optimala adresserna (i den utsträckning det var möjligt genom statisk analys av källprogrammet). Sålunda var många instruktioner, när så behövdes, placerade i nästa rad av trumman för att läsas och ytterligare väntetid för trumrotation reducerades.

Mikroprogrammering

1951 utvecklade den brittiske vetenskapsmannen Maurice Wilkes konceptet med mikroprogrammering från insikten att en dators centralenhet kunde styras av ett högt specialiserat datorprogram i miniatyr i höghastighets- ROM . Mikroprogrammering gör att basinstruktionsuppsättningen kan definieras eller utökas med inbyggda program (nu kallad firmware eller mikrokod ). Detta koncept förenklade CPU-utvecklingen avsevärt. Han beskrev detta först vid University of Manchester Computer Inaugural Conference 1951, sedan publicerad i utökad form i IEEE Spectrum 1955. [ citat behövs ]

Det användes flitigt i processorer och flyttalsenheter i stordatorer och andra datorer; det implementerades för första gången i EDSAC 2 , som också använde flera identiska "bitskivor" för att förenkla designen. Utbytbara, utbytbara rörenheter användes för varje bit i processorn.

Magnetiskt minne

Diagram över ett 4×4-plan av magnetiskt kärnminne i en X/Y-linje sammanfallande-strömuppsättning. X och Y är drivlinor, S är sense, Z är inhibering. Pilar indikerar strömriktningen för skrivning.

Magnetiska trumminnen utvecklades för den amerikanska flottan under andra världskriget med arbetet som fortsatte vid Engineering Research Associates (ERA) 1946 och 1947. ERA, då en del av Univac inkluderade ett trumminne i sin 1103 , tillkännagiven i februari 1953. Den första Den massproducerade datorn, IBM 650 , som också tillkännagavs 1953 hade cirka 8,5 kilobyte trumminne.

Magnetisk kärnminne patenterade 1949 och dess första användning demonstrerades för Whirlwind-datorn i augusti 1953. Kommersialiseringen följde snabbt. Magnetisk kärna användes i kringutrustning till IBM 702 som levererades i juli 1955, och senare i själva 702:an. IBM 704 (1955) och Ferranti Mercury (1957) använde magnetiskt kärnminne. Det fortsatte att dominera fältet in på 1970-talet, när det ersattes med halvledarminne. Magnetisk kärna nådde en topp i volym omkring 1975 och minskade i användning och marknadsandel därefter.

Så sent som 1980 var PDP-11/45-maskiner som använde huvudminne med magnetisk kärna och trummor för att byta fortfarande i användning på många av de ursprungliga UNIX-platserna.

Tidiga digitala datoregenskaper

Ytterligare information: Analytical Engine § Jämförelse med andra tidiga datorer
Definiera egenskaper hos några tidiga digitala datorer på 1940-talet ( I datorhårdvarans historia)
namn Först i drift Siffersystem Beräkningsmekanism Programmering Turing-komplett
Arthur H. Dickinson IBM (USA) jan 1940 Decimal Elektronisk Ej programmerbar Nej
Joseph Desch NCR (USA) mars 1940 Decimal Elektronisk Ej programmerbar Nej
Zuse Z3 (Tyskland) maj 1941 Binär flyttal Elektromekanisk Programstyrd av stansat 35 mm filmmaterial (men ingen villkorlig gren) I teorin ( 1998 )
Atanasoff–Berry Computer (USA) 1942 Binär Elektronisk Ej programmerbar – enstaka ändamål Nej
Colossus Mark 1 (Storbritannien) februari 1944 Binär Elektronisk Programstyrd av patchkablar och switchar Nej
Harvard Mark I – IBM ASCC (USA) maj 1944 Decimal Elektromekanisk Programstyrd av 24-kanalers stansad papperstejp (men ingen villkorlig gren) Diskuterbart
Colossus Mark 2 (Storbritannien) juni 1944 Binär Elektronisk Programstyrd av patchkablar och switchar Conjectured (2011)
Zuse Z4 (Tyskland) mars 1945 Binär flyttal Elektromekanisk Programstyrd av stansat 35 mm filmmaterial År 1950
ENIAC (USA) februari 1946 Decimal Elektronisk Programstyrd av patchkablar och switchar Ja
ARC2 (SEC) (Storbritannien) maj 1948 Binär Elektronisk Lagrat program i roterande trumminne Ja
Manchester Baby (Storbritannien) juni 1948 Binär Elektronisk Lagrat program i Williams katodstrålerörsminne Ja
Modifierad ENIAC (USA) september 1948 Decimal Elektronisk Skrivskyddad programmeringsmekanism som använder funktionstabellerna som program- ROM Ja
Manchester Mark 1 (Storbritannien) april 1949 Binär Elektronisk Lagrat program i Williams katodstrålerörsminne och magnetiskt trumminne Ja
EDSAC (Storbritannien) maj 1949 Binär Elektronisk Lagrat program i kvicksilverfördröjningslinjeminne Ja
CSIRAC (Australien) november 1949 Binär Elektronisk Lagrat program i kvicksilverfördröjningslinjeminne Ja

Transistordatorer

Huvudartikel: Transistordator
Ytterligare information: Lista över transistoriserade datorer
En bipolär junction transistor

Den bipolära transistorn uppfanns 1947. Från 1955 och framåt ersatte transistorer vakuumrör i datordesign, vilket gav upphov till den "andra generationen" av datorer. Jämfört med vakuumrör har transistorer många fördelar: de är mindre och kräver mindre effekt än vakuumrör, så avger mindre värme. Kiselövergångstransistorer var mycket mer tillförlitliga än vakuumrör och hade längre livslängd. Transistoriserade datorer kan innehålla tiotusentals binära logiska kretsar i ett relativt kompakt utrymme. Transistorer minskade kraftigt datorernas storlek, initiala kostnad och driftskostnad . Typiskt bestod andra generationens datorer av ett stort antal tryckta kretskort såsom IBM Standard Modular System , var och en med en till fyra logiska grindar eller vippor .

Vid University of Manchester designade och byggde ett team under ledning av Tom Kilburn en maskin med de nyutvecklade transistorerna istället för ventiler. Till en början var de enda tillgängliga enheterna germaniumpunktkontakttransistorer , mindre tillförlitliga än ventilerna de ersatte men som förbrukade mycket mindre ström. Deras första transistoriserade dator , och den första i världen, var i drift 1953 , och en andra version färdigställdes där i april 1955. 1955 års version använde 200 transistorer, 1 300 solid-state dioder och hade en strömförbrukning på 150 watt. Men maskinen använde sig av ventiler för att generera sina 125 kHz klockvågformer och i kretsen för att läsa och skriva på dess magnetiska trumminne, så det var inte den första helt transistoriserade datorn.

Den utmärkelsen går till Harwell CADET från 1955, byggd av elektronikavdelningen vid Atomic Energy Research Establishment i Harwell . Designen innehöll ett 64-kilobyte magnetiskt trumminne med flera rörliga huvuden som hade designats vid National Physical Laboratory, Storbritannien . År 1953 hade detta team transistorkretsar som fungerade för att läsa och skriva på en mindre magnetisk trumma från Royal Radar Establishment . Maskinen använde en låg klockhastighet på endast 58 kHz för att undvika att behöva använda några ventiler för att generera klockvågformerna.

CADET använde 324-punkts-kontakttransistorer från det brittiska företaget Standard Telephones and Cables ; 76 kopplingstransistorer användes för förstastegsförstärkarna för data som lästes från trumman, eftersom punktkontakttransistorer var för bullriga. Från augusti 1956 erbjöd CADET en vanlig datortjänst, under vilken den ofta utförde kontinuerliga datorkörningar på 80 timmar eller mer. Problem med tillförlitligheten hos tidiga partier av punktkontaktstransistorer och legerade kopplingstransistorer innebar att maskinens medeltid mellan fel var cirka 90 minuter, men detta förbättrades när de mer pålitliga bipolära kopplingstransistorerna blev tillgängliga.

Manchester University Transistor Computers design antogs av den lokala ingenjörsfirman Metropolitan-Vickers i deras Metrovick 950 , den första kommersiella transistordatorn någonstans. Sex Metrovick 950 byggdes, den första färdigställdes 1956. De distribuerades framgångsrikt inom olika avdelningar av företaget och användes i cirka fem år. En andra generationens dator, IBM 1401 , tog ungefär en tredjedel av världsmarknaden. IBM installerade mer än tiotusen 1401:or mellan 1960 och 1964.

Transistor kringutrustning

Transistoriserad elektronik förbättrade inte bara CPU (Central Processing Unit), utan också kringutrustningen . Den andra generationens diskdatalagringsenheter kunde lagra tiotals miljoner bokstäver och siffror. Bredvid de fasta disklagringsenheterna , anslutna till CPU:n via höghastighetsdataöverföring, fanns flyttbara diskdatalagringsenheter. Ett löstagbart diskpaket kan enkelt bytas ut mot ett annat paket på några sekunder. Även om de flyttbara diskarnas kapacitet är mindre än fasta diskar, garanterar deras utbytbarhet en nästan obegränsad mängd data nära till hands. Magnetband gav arkiveringsmöjligheter för dessa data, till en lägre kostnad än disk.

Många andra generationens CPU:er delegerade kringutrustningskommunikation till en sekundär processor. Till exempel, medan kommunikationsprocessorn kontrollerade kortläsning och stansning , utförde huvudprocessorn beräkningar och binära greninstruktioner . En databuss skulle bära data mellan huvudprocessorn och kärnminnet med CPU:ns hämtnings-exekveringscykelhastighet, och andra databussar skulle typiskt betjäna de perifera enheterna. På PDP-1 var kärnminnets cykeltid 5 mikrosekunder; följaktligen tog de flesta aritmetiska instruktioner 10 mikrosekunder (100 000 operationer per sekund) eftersom de flesta operationer tog minst två minnescykler; en för instruktionen, en för operanddatahämtning .

Under den andra generationens fjärrterminalenheter (ofta i form av Teleprinters som en Friden Flexowriter ) ökade användningen kraftigt. Telefonanslutningar gav tillräcklig hastighet för tidiga fjärrterminaler och tillät hundratals kilometer avstånd mellan fjärrterminaler och beräkningscentralen. Så småningom skulle dessa fristående datornätverk generaliseras till ett sammankopplat nätverk av nätverk — Internet.

Transistor superdatorer

University of Manchester Atlas i januari 1963

Det tidiga 1960-talet såg tillkomsten av superdatorer . Atlasen var en gemensam utveckling mellan University of Manchester , Ferranti och Plessey , och installerades först vid Manchester University och togs officiellt i drift 1962 som en av världens första superdatorer – anses vara den kraftfullaste datorn i världen vid den tiden . Det sades att när Atlas gick offline gick hälften av Storbritanniens datorkapacitet förlorad. Det var en andra generationens maskin som använde diskreta germaniumtransistorer . Atlas var också banbrytande för Atlas Supervisor , "av många anses vara det första igenkännliga moderna operativsystemet ".

I USA designades en serie datorer hos Control Data Corporation (CDC) av Seymour Cray för att använda innovativ design och parallellitet för att uppnå överlägsen beräkningsprestanda. CDC 6600 , som släpptes 1964, anses allmänt vara den första superdatorn. CDC 6600 överträffade sin föregångare, IBM 7030 Stretch , med ungefär en faktor 3. Med en prestanda på cirka 1 megaFLOPS var CDC 6600 världens snabbaste dator från 1964 till 1969, när den överlämnade den statusen till sin efterträdare, CDC 7600 .

Integrerade kretsdatorer

Huvudartikel: History of computing hardware (1960-talet–nutid) § Tredje generationen

Den "tredje generationen" av digitala elektroniska datorer använde integrerade kretsar (IC) som bas för sin logik.

Idén om en integrerad krets skapades av en radarforskare som arbetar för Royal Radar Establishment av försvarsministeriet, Geoffrey WA Dummer .

De första fungerande integrerade kretsarna uppfanns av Jack Kilby på Texas Instruments och Robert Noyce på Fairchild Semiconductor . Kilby spelade in sina första idéer om den integrerade kretsen i juli 1958, och demonstrerade framgångsrikt det första fungerande integrerade exemplet den 12 september 1958. Kilbys uppfinning var en hybrid integrerad krets (hybrid IC). Den hade externa trådanslutningar, vilket gjorde det svårt att masstillverka.

Noyce kom på sin egen idé om en integrerad krets ett halvår efter Kilby. Noyces uppfinning var ett monolitiskt integrerat krets (IC)-chip. Hans chip löste många praktiska problem som Kilbys inte hade. Tillverkad på Fairchild Semiconductor var den gjord av kisel , medan Kilbys chip var gjord av germanium . Grunden för Noyces monolitiska IC var Fairchilds plana process , som gjorde det möjligt för integrerade kretsar att läggas ut med samma principer som för tryckta kretsar . Den plana processen utvecklades av Noyces kollega Jean Hoerni i början av 1959, baserat på Mohamed M. Atallas arbete med halvledarytpassivering av kiseldioxid vid Bell Labs i slutet av 1950-talet.

Tredje generationens datorer (integrerade kretsar) dök upp först i början av 1960-talet i datorer utvecklade för statliga ändamål, och sedan i kommersiella datorer med början i mitten av 1960-talet. Den första kisel-IC-datorn var Apollo Guidance Computer eller AGC. Även om det inte var den mest kraftfulla datorn på sin tid, krävde de extrema begränsningarna av storlek, massa och kraft för rymdfarkosten Apollo att AGC var mycket mindre och tätare än någon tidigare dator, och vägde bara 32 kg. Varje månlandningsuppdrag bar två AGC:er, en vardera i kommando- och månuppstigningsmodulerna.

Halvledarminne

Huvudartikel: Halvledarminne

MOSFET (metall-oxid-halvledarfälteffekttransistor, eller MOS-transistor) uppfanns av Mohamed M. Atalla och Dawon Kahng vid Bell Labs 1959. Förutom databehandling möjliggjorde MOSFET praktisk användning av MOS-transistorer som minne celllagringselement , en funktion som tidigare betjänades av magnetiska kärnor . Halvledarminne , även känt som MOS-minne , var billigare och förbrukade mindre ström än magnetiskt kärnminne . MOS random-access memory (RAM), i form av statiskt RAM (SRAM), utvecklades av John Schmidt på Fairchild Semiconductor 1964. 1966 utvecklade Robert Dennard vid IBM Thomas J. Watson Research Center MOS dynamiskt RAM (DRAM) ). 1967 utvecklade Dawon Kahng och Simon Sze på Bell Labs den flytande grinden MOSFET , grunden för MOS icke-flyktigt minne som EPROM , EEPROM och flashminne .

Mikroprocessordatorer

Huvudartikel: History of computing hardware (1960-talet–nutid) § Fjärde generationen

Den "fjärde generationen" av digitala elektroniska datorer använde mikroprocessorer som grund för sin logik. Mikroprocessorn har sitt ursprung i MOS-chippet med integrerad krets (MOS IC). På grund av snabb MOSFET-skalning ökade MOS IC-chips snabbt i komplexitet i en takt som förutspåddes av Moores lag , vilket ledde till storskalig integration (LSI) med hundratals transistorer på ett enda MOS-chip i slutet av 1960-talet. Tillämpningen av MOS LSI-chips till datoranvändning var grunden för de första mikroprocessorerna, eftersom ingenjörer började inse att en komplett datorprocessor kunde finnas på ett enda MOS LSI-chip.

Ämnet för exakt vilken enhet som var den första mikroprocessorn är omtvistat, delvis på grund av bristande enighet om den exakta definitionen av termen "mikroprocessor". De tidigaste multi-chip mikroprocessorerna var Four-Phase Systems AL-1 1969 och Garrett AiResearch MP944 1970, utvecklade med flera MOS LSI-chips. Den första enchipsmikroprocessorn var Intel 4004 , utvecklad på ett enda PMOS LSI-chip. Den designades och realiserades av Ted Hoff , Federico Faggin , Masatoshi Shima och Stanley Mazor på Intel , och släpptes 1971. Tadashi Sasaki och Masatoshi Shima på Busicom , en kalkylatortillverkare, hade den första insikten att processorn kunde vara en enda MOS LSI chip, levererat av Intel.

Matrisen från en Intel 8742 , en 8-bitars mikrokontroller som inkluderar en CPU som körs på 12 MHz, RAM, EPROM och I/ O

Medan de tidigaste mikroprocessor-IC:erna bokstavligen bara innehöll en dators processor, dvs. den centrala processorenheten, ledde deras progressiva utveckling naturligtvis till chips som innehöll de flesta eller alla de interna elektroniska delarna av en dator. Den integrerade kretsen i bilden till höger, till exempel en Intel 8742, är en 8-bitars mikrokontroller som inkluderar en CPU som kör på 12 MHz, 128 byte RAM , 2048 byte EPROM och I/O i samma chip .

Under 1960-talet fanns det en betydande överlappning mellan andra och tredje generationens teknologier. IBM implementerade sina IBM Solid Logic Technology- moduler i hybridkretsar för IBM System/360 1964. Så sent som 1975 fortsatte Sperry Univac tillverkningen av andra generationens maskiner som UNIVAC 494. Burroughs stora system som B5000 var stackmaskiner , vilket möjliggjorde enklare programmering. Dessa pushdown-automater implementerades också i minidatorer och mikroprocessorer senare, vilket påverkade programmeringsspråkets design. Minidatorer fungerade som lågkostnadsdatorcenter för industri, företag och universitet. Det blev möjligt att simulera analoga kretsar med simuleringsprogrammet med betoning på integrerade kretsar, eller SPICE (1971) på minidatorer, ett av programmen för elektronisk designautomation ( EDA ). Mikroprocessorn ledde till utvecklingen av mikrodatorer , små, billiga datorer som kunde ägas av privatpersoner och småföretag. Mikrodatorer, av vilka den första dök upp på 1970-talet, blev allestädes närvarande på 1980-talet och därefter.

Altair 8800

Även om vilken specifik produkt som anses vara det första mikrodatorsystemet är en fråga om debatt, är en av de tidigaste R2E:s Micral N ( François Gernelle , André Truong ) som lanserades "tidigt 1973" med hjälp av Intel 8008. Den första kommersiellt tillgängliga mikrodatorsatsen var Intel 8080 -baserade Altair 8800 , som tillkännagavs i januari 1975 omslagsartikel av Popular Electronics . Altair 8800 var dock ett extremt begränsat system i dess inledande skeden, med endast 256 byte DRAM i sitt initiala paket och ingen in-utgång förutom dess vippomkopplare och LED-registerdisplay. Trots detta var den till en början överraskande populär, med flera hundra försäljningar under det första året, och efterfrågan översteg snabbt utbudet. Flera tidiga tredjepartsleverantörer som Cromemco och Processor Technology började snart leverera ytterligare S-100-busshårdvara till Altair 8800.

I april 1975 på Hannovermässan presenterade Olivetti P6060 , världens första kompletta, förmonterade persondatorsystem. Den centrala bearbetningsenheten bestod av två kort, kodnamnen PUCE1 och PUCE2, och till skillnad från de flesta andra persondatorer byggdes med TTL- komponenter snarare än en mikroprocessor. Den hade en eller två 8- tumsdiskettenheter , en plasmaskärm med 32 tecken , 80-kolumner grafisk termisk skrivare , 48 Kbyte RAM och BASIC -språk. Den vägde 40 kg (88 lb). Som ett komplett system var detta ett betydande steg från Altair, även om det aldrig nådde samma framgång.Det konkurrerade med en liknande produkt från IBM som hade en extern diskettenhet.

såldes de flesta mikrodatorer, såsom MOS Technology KIM-1 , Altair 8800 , och vissa versioner av Apple I , som byggsatser för gör-det-själv. Förmonterade system vann inte mycket mark förrän 1977, med introduktionen av Apple II , Tandy TRS-80 , de första SWTPC- datorerna och Commodore PET . Datorteknik har utvecklats med mikrodatorarkitekturer, med funktioner som lagts till från deras större bröder, nu dominerande i de flesta marknadssegment.

En NeXT-dator och dess objektorienterade utvecklingsverktyg och bibliotek användes av Tim Berners-Lee och Robert Cailliau vid CERN för att utveckla världens första webbservermjukvara , CERN httpd , och användes även för att skriva den första webbläsaren , WorldWideWeb .

System lika komplicerade som datorer kräver mycket hög tillförlitlighet . ENIAC förblev på, i kontinuerlig drift från 1947 till 1955, i åtta år innan den lades ner. Även om ett vakuumslang kan misslyckas, skulle det bytas ut utan att få ner systemet. Genom den enkla strategin att aldrig stänga av ENIAC, minskade misslyckandena dramatiskt. SAGE -luftförsvarsdatorerna med vakuumrör blev anmärkningsvärt tillförlitliga – installerade i par, en offline, rör som troligen skulle misslyckas gjorde det när datorn avsiktligt kördes med reducerad effekt för att hitta dem. Hot-pluggable hårddiskar, som de hot-pluggbara vakuumrören från förr, fortsätter traditionen med reparation under kontinuerlig drift. Halvledarminnen har rutinmässigt inga fel när de fungerar, även om operativsystem som Unix har använt minnestester vid uppstart för att upptäcka felaktig hårdvara. Idag ställs kraven på tillförlitlig prestanda ännu hårdare när serverfarmar är leveransplattformen. Google har lyckats med detta genom att använda feltolerant programvara för att återställa hårdvarufel, och arbetar till och med med konceptet att ersätta hela serverfarmar i farten under en servicehändelse.

På 2000-talet blev flerkärniga processorer kommersiellt tillgängliga. Innehållsadresserbart minne (CAM) har blivit tillräckligt billigt för att användas i nätverk och används ofta för on-chip cacheminne i moderna mikroprocessorer, även om inget datorsystem ännu har implementerat hårdvaru-CAM för användning i programmeringsspråk. För närvarande är CAM:er (eller associativa arrayer) i programvara programmeringsspråksspecifika. Halvledarminnescellmatriser är mycket regelbundna strukturer, och tillverkare bevisar sina processer på dem; detta möjliggör prissänkningar på minnesprodukter. Under 1980-talet CMOS logiska grindar till enheter som kunde göras lika snabba som andra kretstyper; datorns strömförbrukning kan därför minska dramatiskt. Till skillnad från den kontinuerliga strömdragningen av en grind baserad på andra logiska typer, drar en CMOS-grind endast signifikant ström under "övergången" mellan logiska tillstånd, förutom läckage.

CMOS-kretsar har tillåtit datoranvändning att bli en handelsvara som nu är allmänt förekommande, inbäddad i många former , från gratulationskort och telefoner till satelliter . Den termiska designeffekten som försvinner under drift har blivit lika viktig som beräkningshastigheten. Under 2006 förbrukade servrar 1,5 % av USA:s totala energibudget. Energiförbrukningen i datacenter förväntades fördubblas till 3 % av världsförbrukningen till 2011. SoC ( system på ett chip) har komprimerat ännu mer av de integrerade kretsarna till ett enda chip; SoCs gör det möjligt för telefoner och datorer att konvergera till enstaka handhållna trådlösa mobila enheter .

Quantum computing är en framväxande teknik inom datorområdet. MIT Technology Review rapporterade 10 november 2017 att IBM har skapat en 50- qubit -dator; för närvarande varar dess kvanttillstånd 50 mikrosekunder. Googles forskare har kunnat förlänga tidsgränsen på 50 mikrosekunder, som rapporterades 14 juli 2021 i Nature ; stabiliteten har utökats 100 gånger genom att sprida en enda logisk qubit över kedjor av data qubits för kvantfelskorrigering . Fysisk granskning X rapporterade en teknik för "single-gate sensing som en livskraftig avläsningsmetod för spin qubits" (ett singlett-triplettspintillstånd i kisel) den 26 november 2018. Ett Google-team har lyckats använda sitt RF-pulsmodulatorchip vid 3 Kelvin, vilket förenklar kryogeniken i deras 72-qubit-dator, som är inställd för att fungera vid 0,3 Kelvin; men avläsningskretsen och en annan drivrutin återstår att föras in i kryogeniken. Se: Quantum supremacy Silicon qubit-system har visat intrassling på icke-lokala avstånd.

Datorhårdvara och dess mjukvara har till och med blivit en metafor för hur universum fungerar.

Epilog

En indikation på snabbheten i utvecklingen av detta område kan härledas från historien om den framstående artikeln från 1947 av Burks, Goldstine och von Neumann. När någon hade tid att skriva ner något var det föråldrat. Efter 1945 läste andra John von Neumanns första utkast till en rapport om EDVAC och började omedelbart implementera sina egna system. Än i dag har den snabba utvecklingstakten fortsatt, över hela världen.

Se även

Anteckningar

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=History_of_computing_hardware&oldid=1140881703 "