1.1.6 Ιστορία υπολογιστών

Ιστορία υπολογιστών

---

Σ΄ αυτή την ενότητα θα εξετάσουμε την ιστορία των υπολογιστών και θα καταλάβουμε πως οι χαρακτήρες και τα γεγονότα που θα περιγράψουμε μας οδήγησαν στη σημερινή κατάσταση και πως αποτελούν τα θεμέλια για το συναρπαστικό μέλλον που θ’ ακολουθήσει.

Στα μέσα του δέκατου έβδομου αιώνα, ο Blaise Pascal, Γάλλος μαθηματικός, εφηύρε έναν μηχανικό υπολογιστή με γρανάζια που εκτελούσε τις πράξεις πρόσθεσης και αφαίρεσης ακέραιων αριθμών. 

 Στα τέλη του δέκατου έβδομου αιώνα, ο Γερμανός μαθηματικός Gottfried Leibniz εφηύρε μια πιο εξελιγμένη μηχανική αριθμομηχανή που μπορούσε να κάνει και τις τέσσερεις πράξεις (πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμό και διαίρεση) στους ακέραιους αριθμούς.

Στα τέλη του δέκατου όγδοου αιώνα, ο Joseph Jacquard, Γάλλος υφαντής και έμπορος, ανέπτυξε αυτό που έγινε γνωστό ως αργαλειός του Jacquard. Ο αργαλειός ήταν μια μηχανή για την κατασκευή υφασμάτων. Ο αργαλειός αποτελείται από δύο κάθετα μεταξύ τους επίπεδα ινών υφάσματος, οι οποίες μπλέκονται μεταξύ τους σε τετράγωνα και παράγουν την υφή του υφάσματος καθώς και το σχέδιο. Ο αργαλειός του Jacquard χρησιμοποιούσε μια σειρά από κάρτες με τρύπες (διάτρητες κάρτες) για να ελέγξουν μέσω των οπών τους ποιες από τις ίνες θα πλέκονται με το κάθετο επίπεδο κάθε φορά και επομένως να υπαγορεύσουν το σχέδιο που θα δημιουργηθεί στο ύφασμα. Αν και δεν ήταν μια υπολογιστική συσκευή, ο αργαλειός του Jacquard ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε αυτό που αργότερα έγινε μια σημαντική μορφή εισόδου στον υπολογιστή: τη διάτρητη κάρτα.

Εικόνα 1.1.6  Ο αυτόματος αργαλειός. Στην κορυφή φαίνονται οι διάτρητες κάρτες που ελέγχουν την ύφανση. Κάθε σχέδιο χρειάζεται έναν πολύ μεγάλο αριθμό διάτρητων καρτών για την απεικόνιση

Το 1823, ο Βρετανός μαθηματικός Charles Babbage (Τσαρλς Μπάμπατζ) σχεδίασε την Αναλυτική Μηχανή που θεωρείται ο πρόδρομος των σύγχρονων υπολογιστών. Είχε τέσσερα εξαρτήματα: ένα μύλο (που αντιστοιχεί σε μια σύγχρονη ALU), μια αποθήκευση (μνήμη), έναν χειριστή (μονάδα ελέγχου) και μια έξοδο (είσοδος/έξοδος). Η μηχανή ήταν σχεδιασμένη ώστε να προγραμματίζεται και να λαμβάνει τα δεδομένα μέσω διάτρητων καρτών, μια μέθοδος που είχε χρησιμοποιηθεί και από τον αυτόματο αργαλειό του Ζακάρ (Jacquard). Ωστόσο τα σχέδιά του ποτέ δεν πήραν σάρκα και οστά, ενόσω ζούσε, λόγω της έλλειψης χρηματοδότησης. 

Η Ada Augusta, η κόμισσα του Λάβλεϊς, ήταν μια ρομαντική φιγούρα στην ιστορία της πληροφορικής. Η Άντα, κόρη του Λόρδου Βύρωνα (του Άγγλου ποιητή), ήταν μαθηματικός. Ενδιαφέρθηκε για την αναλυτική μηχανή του Babbage και επέκτεινε τις ιδέες του (καθώς και διόρθωσε μερικά από τα λάθη του). Η Ada θεωρείται η πρώτη προγραμματίστρια. Η γλώσσα προγραμματισμού Ada, που χρησιμοποιήθηκε από το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ για πολλά χρόνια, πήρε το όνομά της.

Το 1890 η Κυβέρνηση των Η.Π.Α. αποφάσισε να κάνει απογραφή του πληθυσμού της χώρας. Επειδή η χώρα ήταν πολύ μεγάλη σε πληθυσμό και έκταση, η διαδικασία απογραφής ήταν τεράστια και ιδιαιτέρως χρονοβόρα. Γι’ αυτό έκαναν ένα διαγωνισμό για τη δημιουργία μιας μηχανής που θα διευκόλυνε την επεξεργασία και την καταγραφή των στοιχείων που θα συγκεντρώνονταν από την απογραφή. Ο Herman Hollerith, που εργαζόταν στο Γραφείο Απογραφής των ΗΠΑ, σχεδίασε και κατασκεύασε για το διαγωνισμό, μια μηχανή προγραμματισμού που μπορούσε αυτόματα να διαβάζει, να υπολογίζει και να ταξινομεί δεδομένα που ήταν αποθηκευμένα σε διάτρητες κάρτες. Η μηχανή αυτή ονομάστηκε Census Tabulator (Ταξινομέας Απογραφής) και ήταν ο ιδρυτής μίας από τις εταιρείες που αργότερα ενώθηκαν για να σχηματίσουν την ΙΒΜ.

Στην περίοδο μεταξύ 1930 και 1950, εφευρέθηκαν αρκετοί υπολογιστές από πρωτοπόρους επιστήμονες. Το κοινό χαρακτηριστικό τους ήταν ότι δεν αποθήκευαν το πρόγραμμα στη μνήμη και προγραμματίζονταν εξωτερικά χρησιμοποιώντας καλώδια ή διακόπτες.

 Ο πρώτος υπολογιστής αυτής της εποχής, που κωδικοποιούσε πληροφορίες ηλεκτρικά, εφευρέθηκε από τον John V. Atanasoff και τον βοηθό του Clifford Berry το 1939. Ονομάστηκε ABC (Atanasoff Berry Computer) και σχεδιάστηκε ειδικά για την επίλυση ενός συστήματος γραμμικών εξισώσεων.

Το 1944, το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ και η IBM χρηματοδότησαν ένα έργο του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ για την κατασκευή ενός υπολογιστή που ονομάστηκε Mark I. Αυτός ο υπολογιστής χρησιμοποιούσε ηλεκτρικά και μηχανικά στοιχεία.

Στην Αγγλία, ο Άλαν Τούρινγκ εφηύρε έναν υπολογιστή που σχεδιάστηκε για την αποκωδικοποίηση της γερμανικής κρυπτογραφικής συσκευής Enigma.

Ο πρώτος, πλήρως ηλεκτρονικός υπολογιστής γενικής χρήσης κατασκευάστηκε από τους John Mauchly και J. Presper Eckert το 1946 και ονομαζόταν ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator).Χρησιμοποίησε 18.000 λυχνίες κενού, είχε μήκος 100 πόδια και ύψος 10 πόδια και ζύγιζε 30 τόνους.

Το 1950 στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνιας κατασκευάζεται ο πρώτος υπολογιστής που βασίζεται στο μοντέλο του von Neumann και ονομάστηκε EDVAC.

Μετά το 1950, οι υπολογιστές που κατασκευάζονται χωρίζονται σε γενιές , όπου κάθε γενιά ξεχωρίζει από την προηγούμενη λόγω κάποιας σημαντικής αλλαγής στο υλικό ή το λογισμικό του υπολογιστή. Αυτό που δεν αλλάζει σε όλες  αυτές τις γενιές είναι το μοντέλο.

    Εικόνα  1.1.6.α. Λυχνίες κενού                                              Εικόνα 1.1.6.β. Εσωτερικό Υπολογιστή που λειτουργεί με λυχνίες

Η δεύτερη γενιά υπολογιστών ξεκινά με την αντικατάσταση των λυχνιών κενού από τα τρανζίστορ. Ένα τρανζίστορ (transistor) είναι ένα στοιχείο κυκλώματος που έχει συνήθως τρεις ακροδέκτες. Οι ακροδέκτες αυτοί μπορούν να λειτουργήσουν ως ηλεκτρονικοί διακόπτες. Το βασικό χαρακτηριστικό του τρανζίστορ είναι ότι ενώ στην είσοδο του μπορούμε να δώσουμε ένα μεγάλο αριθμό διαφορετικών καταστάσεων, στην έξοδο του  παίρνουμε μόνο δύο διακριτές καταστάσεις: απουσία ρεύματος ή ύπαρξη ρεύματος. Αυτές τις δύο καταστάσεις στη «γλώσσα» των υπολογιστών τις συμβολίζουμε με τα ψηφία 0 και 1.

Σε σύγκριση με τη λυχνία κενού, το τρανζίστορ είναι πολύ ανώτερο και η χρήση του επέτρεψε στους υπολογιστές να είναι γρηγορότεροι σε ταχύτητα επεξεργασίας, πιο αξιόπιστοι, φθηνότεροι, ενεργειακά αποδοτικότεροι και μικρότεροι σε όγκο.

Οι υπολογιστές αυτής της γενιάς χρησιμοποιούν διάτρητες κάρτες για την είσοδο των δεδομένων και εμφανίζονται οι πρώτες γλώσσες προγραμματισμού υψηλού επιπέδου όπως η Fortran  και η COBOL.

Οι πιο γνωστοί υπολογιστές αυτής της εποχής είναι ο PDP-1 και η σειρά IBM 7000.

Εικόνα 1.1.6.γ. Τρανζίστορ	Εικόνα 1.1.6.δ. PDP-1. Πηγή: Wikipedia

Η τρίτη γενιά υπολογιστών ξεκινά με την εφεύρεση του ολοκληρωμένου κυκλώματος (integrated circuit) από τον Jack Kilby. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα συγκεντρώνει τρανζίστορ , αντιστάτες, πυκνωτές και όλες τις καλωδιώσεις σύνδεσης σε ένα μονό κρύσταλλο (ή «τσιπ») από υλικό ημιαγωγού (πυρίτιο ή γερμάνιο) με μέγεθος της τάξης του 1cm2.  Η αντικατάσταση των τρανζίστορ με ολοκληρωμένα κυκλώματα μείωσε ακόμη περισσότερο το κόστος και το μέγεθος των υπολογιστών. Επίσης, τους έκανε πιο αξιόπιστους και αποτελεσματικούς.

Η εποχή αυτή χαρακτηρίζεται από τη μεγάλη ανάπτυξη του λογισμικού. Αναπτύσσονται νέες γλώσσες προγραμματισμού (BASIC, PASCAL PL/1, ALGOL-68) και βελτιώνονται οι υπάρχουσες (FORTRAN-II, COBOL). Επίσης, αυτή την εποχή τα λειτουργικά συστήματα επιτρέπουν τον πολυπρογραμματισμό (multiprogramming) η φόρτωση πολλών προγραμμάτων στη μνήμη ταυτόχρονα ώστε όταν κάποιο περιμένει για είσοδο/έξοδο κάποιο άλλο να μπορεί να εκτελείται, τον καταμερισμό χρόνου (timesharing) και την απομακρυσμένη επεξεργασία (remote processing).

 Ο πιο αντιπροσωπευτικός υπολογιστής αυτής της γενιάς είναι ο IBM System/360 που χρησιμοποιήθηκε από τη NASA για την προσσελήνωση του  Apollon 11 το 1969.

Εικόνα 1.1.6.ε. Ο IBM System/360 στη NASA Πηγή: ibm.com

Εικόνα 1.1.6.στ. Το SN514, το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε στον IBM System/360 (Πηγή:Industrial Alchemy)

Η τέταρτη γενιά υπολογιστών χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση των μικροεπεξεργαστών.

Οι μικροεπεξεργαστές  αυτής της εποχής, κατασκευάζονται με τη χρήση δύο νέων τεχνολογιών που ονομάζονται μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωση (LSI)  και πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωση (VLSI).

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (chips) μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (large scale integration, LSI), περιλαμβάνουν από μερικές εκατοντάδες έως μερικές χιλιάδες τρανζίστορς, ενώ τα κυκλώματα (chips) πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (very large scale integration, VLSI), περιλαμβάνουν από μερικές χιλιάδες έως εκατοντάδες χιλιάδες τρανζίστορς σε μία επιφάνεια ενός τετραγωνικού εκατοστού.

Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής παρουσιάζεται το 1971 και είναι ο Intel 4004 στον οποίο περιλαμβάνονται όλα τα βασικά εξαρτήματα ενός υπολογιστή (Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας, Μνήμη έως και τους ελεγκτές εισόδου και εξόδου). 

Οι υπολογιστές που κατασκευάζονται στην τέταρτη γενιά έχουν μικρό μέγεθος, είναι ταχύτεροι, με μεγάλη χωρητικότητα αποθήκευσης και πωλούνται φθηνότερα.

Η εξέλιξη αυτή οδήγησε στους προσωπικούς υπολογιστές και το 1981 η εταιρεία IBM παρουσιάζει το IBM PC, τον πρώτο υπολογιστή για οικιακή χρήση, εξοπλισμένο µε το λειτουργικό σύστημα MS DOS που προερχόταν από την μικρή, τότε, Microsoft Corporation.

Εικόνα 1.1.6.ζ. Ο μικροεπεξεργαστής Intel 4004. Πηγή: intel.com	Εικόνα 1.1.6.η.  IBM PC. Πηγή: Wikipedia.org

Εικόνα 1.1.6.θ. Ο Φορητός υπολογιστής Osborne του 1981 Πηγή: https://images.computerhistory.org/internethistory/osborne.jpg

Το 1984 γίνεται η είσοδος στην αγορά του Apple Macintosh, ο οποίος εισάγει το πολύ φιλικό γραφικό περιβάλλον επικοινωνίας (GUI) με ποντίκι, σε αντίθεση με το τότε τυπικό περιβάλλον γραμμής εντολών.

Εικόνα 1.1.6.ι. Ο Macintosh 128K, ο πρώτος Mac, που κυκλοφόρησε το 1984 Πηγή: appleinsider.com

Ενώ το λειτουργικό σύστημα είναι πλέον απαραίτητο για τη λειτουργία των υπολογιστών και οι εταιρείες αρχίζουν να χρεώνουν χρήματα για τις άδειες του, ένα νέο κίνημα προγραμματιστών ξεκίνησε το Linux το 1991. Με επικεφαλής τον Linus Torvald, φτιάχνουν σε ένα δωρεάν λειτουργικό σύστημα ανοιχτού κώδικα που ονομάζεται Linux. Το Linux αποκτάει αναπάντεχη δημοτικότητα βοηθώντας μελλοντικά στην ανάπτυξη ελεύθερων λειτουργικών συστημάτων.

Η πέμπτη γενιά υπολογιστών είναι η τρέχουσα γενιά υπολογιστών που ξεκινά από τη δεκαετία του 1980 και φτάνει μέχρι σήμερα. Η τεχνολογία VLSI της προηγούμενης γενιάς γίνεται ULSI (Ultra Large Scale Integration), δηλαδή σ΄ένα μόνο μικροτσίπ πυριτίου ενσωματώνονται εκατομμύρια ολοκληρωμένα κυκλώματα (chips). Αυτό βοηθά στη μείωση του μεγέθους και της τιμής των υπολογιστών. Αύξησε επίσης την ισχύ, την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία τους.

Στη γενιά αυτή που ονομάζεται η γενιά της Τεχνητής Νοημοσύνης (Artificial Intelligence), οι επιστήμονες της πληροφορικής προσπαθούν να αναπτύξουν συσκευές που να μπορούν να «σκέφτονται» και να λαμβάνουν αποφάσεις όπως ο άνθρωπος. Η τεχνολογία αυτή βρίσκεται ακόμα σε εξέλιξη, αν και υπάρχουν ορισμένες εφαρμογές, όπως η αναγνώριση φωνής, που χρησιμοποιούνται σήμερα.

Μια άλλη πρόοδος αυτής της γενιάς είναι η παράλληλη επεξεργασία, που αντικαθιστά την κλασική αρχιτεκτονική της ενιαίας κεντρικής μονάδας επεξεργασίας (CPU) του von Neumann με ένα σύστημα πολλών επεξεργαστών. Οι επεξεργαστές αυτοί μοιράζονται την ίδια μνήμη και λειτουργούν παράλληλα εκτελώντας διαφορετικές εντολές του ιδίου προγράμματος.