نظرة على تاريخ أجهزة الكمبيوتر

قبل عصر الإلكترونيات ، كان العداد هو الأقرب إلى جهاز الكمبيوتر ، على الرغم من أنه بشكل دقيق ، فإن المعداد هو في الواقع آلة حاسبة لأنه يتطلب عامل بشري. من ناحية أخرى ، تقوم أجهزة الكمبيوتر بإجراء العمليات الحسابية تلقائيًا باتباع سلسلة من الأوامر المضمنة تسمى البرامج.

في ال 20^العاشر القرن ، سمحت الاختراقات في التكنولوجيا لآلات الحوسبة المتطورة التي نعتمد عليها الآن تمامًا ، نحن لا نعطيهم أي فكرة ثانية. ولكن حتى قبل ظهور المعالجات الدقيقة و الحواسيب الفائقة، كان هناك بعض العلماء والمخترعين البارزين الذين ساعدوا في إرساء أسس التكنولوجيا التي أعادت تشكيل جذري لكل جوانب الحياة الحديثة.

اللغة العالمية التي تنفذ بها أجهزة الكمبيوتر تعليمات المعالج نشأت في القرن السابع عشر في شكل نظام رقمي ثنائي. تم تطويره من قبل الفيلسوف وعالم الرياضيات الألماني جوتفريد فيلهلم ليبنيزجاء النظام كوسيلة لتمثيل الأعداد العشرية باستخدام رقمين فقط: الرقم صفر والرقم الأول. استلهم نظام لايبنتز جزئيًا من التفسيرات الفلسفية في النص الصيني الكلاسيكي "أنا تشينغ "الذي أوضح الكون من حيث الثنائيات مثل النور والظلام والذكور و أنثى. في حين لم يكن هناك استخدام عملي لنظامه المدون حديثًا في ذلك الوقت ، اعتقد ليبنيز أنه من الممكن للآلة أن تستخدم يومًا ما هذه السلاسل الطويلة من الأرقام الثنائية.

في عام 1847 ، قدم عالم الرياضيات الإنجليزي جورج بول فكرة جديدة اللغة الجبرية مبني على عمل ليبنيز. كان "الجبر البولي" في الواقع نظامًا للمنطق ، مع معادلات رياضية تُستخدم لتمثيل العبارات في المنطق. على نفس القدر من الأهمية أنه استخدم نهجًا ثنائيًا تكون فيه العلاقة بين الكميات الرياضية المختلفة إما صحيحة أو خاطئة ، 0 أو 1.

كما هو الحال مع ليبنيز ، لم تكن هناك تطبيقات واضحة لجبر بول في ذلك الوقت ، ولكن عالم الرياضيات تشارلز ساندرز بيرس قضى عقودا في توسيع النظام ، وفي عام 1886 ، قرر أن الحسابات يمكن أن تتم عن طريق التبديل الكهربائي الدوائر. نتيجة لذلك ، فإن المنطق المنطقي أصبح في نهاية المطاف أداة أساسية في تصميم أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية.

عالم رياضيات إنجليزي تشارلز باباج يعود الفضل في تجميع أول أجهزة الكمبيوتر الميكانيكية - على الأقل من الناحية الفنية. تميزت أجهزته في أوائل القرن التاسع عشر بطريقة إدخال الأرقام والذاكرة والمعالج ، إلى جانب طريقة لإخراج النتائج. وصف باباج محاولته الأولى لبناء أول آلة حوسبة في العالم بأنها "محرك الفرق". دعا التصميم إلى جهاز يحسب القيم ويطبع النتائج تلقائيًا على الطاولة. كان من المفترض أن يزن باليد وكان وزنه أربعة أطنان. لكن طفل باباج كان مسعى مكلف. تم إنفاق أكثر من 17000 جنيه إسترليني على التطوير المبكر لمحرك الفرق. تم إلغاء المشروع في نهاية المطاف بعد أن قطعت الحكومة البريطانية تمويل باباج في عام 1842.

هذا القسري باباج للانتقال إلى فكرة أخرى ، "محرك تحليلي" ، كان أكثر طموحًا في نطاقه من سابقه وكان من المقرر استخدامه في الحوسبة للأغراض العامة بدلاً من الحساب فقط. على الرغم من أنه لم يكن قادرًا أبدًا على متابعة إنشاء جهاز يعمل ، إلا أن تصميم Babbage تميز بشكل أساسي بنفس البنية المنطقية مثل أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية التي ستدخل حيز الاستخدام في العشرين^العاشر مئة عام. كان للمحرك التحليلي ذاكرة مدمجة - شكل من أشكال تخزين المعلومات موجود في جميع أجهزة الكمبيوتر - يسمح بالتفرع ، أو قدرة الكمبيوتر على تنفيذ مجموعة من الإرشادات التي تنحرف عن ترتيب التسلسل الافتراضي ، وكذلك الحلقات ، وهي سلسلة من التعليمات التي يتم تنفيذها بشكل متكرر في الخلافة.

على الرغم من إخفاقه في إنتاج آلة حوسبة تعمل بكامل طاقتها ، بقي باباج ثابتًا دون رادع في متابعة أفكاره. بين عامي 1847 و 1849 ، وضع تصميمات لإصدار جديد ومحسن من محرك الفرق. هذه المرة ، قام بحساب الأرقام العشرية التي يصل طولها إلى 30 رقمًا ، وأجرى العمليات الحسابية بسرعة أكبر ، وتم تبسيطه بحيث يتطلب أجزاء أقل. ومع ذلك ، لم تشعر الحكومة البريطانية أن الأمر يستحق استثماراتهم. في النهاية ، كان معظم التقدم الذي حققه Babbage على الإطلاق في نموذج أولي هو إكمال سُبع تصميمه الأول.

خلال هذه الحقبة المبكرة من الحوسبة ، كانت هناك بعض الإنجازات البارزة: آلة التنبؤ بالمد، الذي ابتكره عالم الرياضيات والفيزيائي والمهندس السير ويليام طومسون في عام 1872 ، كان أول كمبيوتر تمثيلي حديث. بعد أربع سنوات ، توصل أخوه الأكبر ، جيمس طومسون ، إلى مفهوم لجهاز كمبيوتر حل المشكلات الرياضية المعروفة باسم المعادلات التفاضلية. ووصف جهازه بأنه "آلة دمج" وفي السنوات اللاحقة ، سيكون بمثابة الأساس لأنظمة تُعرف بالمحللات التفاضلية. في عام 1927 ، بدأ العالم الأمريكي فانيفار بوش تطويره على أول آلة يتم تسميتها على هذا النحو ونشر وصفًا لاختراعه الجديد في مجلة علمية في عام 1931.

حتى وقت مبكر 20^العاشر في القرن الماضي ، كان تطور الحوسبة أكثر بقليل من اهتمام العلماء بتصميم آلات قادرة على أداء أنواع مختلفة من الحسابات بكفاءة لأغراض مختلفة. لم يكن حتى عام 1936 أن نظرية موحدة حول ما يشكل "كمبيوتر للأغراض العامة" وكيف ينبغي أن تعمل وضعت في النهاية. في تلك السنة ، نشر عالم الرياضيات الإنجليزي آلان تورينج ورقة بعنوان "على الأرقام الحسابية ، مع تطبيق على Entscheidungsproblem" ، والتي أوجز كيف يمكن استخدام جهاز نظري يسمى "آلة تورينج" لتنفيذ أي حساب رياضي يمكن تصوره عن طريق تنفيذ تعليمات. من الناحية النظرية ، سيكون للجهاز ذاكرة لا حدود لها ، وقراءة البيانات ، وكتابة النتائج ، وتخزين برنامج التعليمات.

بينما كان كمبيوتر تورينج مفهومًا مجردة ، إلا أنه كان مهندسًا ألمانيًا اسمه كونراد زوس الذين سيستمرون في بناء أول كمبيوتر قابل للبرمجة في العالم. كانت محاولته الأولى لتطوير جهاز كمبيوتر إلكتروني ، Z1 ، عبارة عن آلة حاسبة تعمل بنظام ثنائي وقراءة التعليمات من فيلم مثقوب 35 ملم. ومع ذلك ، كانت هذه التقنية غير موثوقة ، لذلك تابعها مع Z2 ، وهو جهاز مماثل يستخدم دوائر الترحيل الكهروميكانيكية. بينما كان التحسن ، كان في تجميع نموذجه الثالث الذي جمع كل شيء مع Zuse. تم الكشف عن Z3 في عام 1941 ، وكان أسرع وأكثر موثوقية وأكثر قدرة على أداء حسابات معقدة. كان الاختلاف الأكبر في هذا التجسد الثالث هو أن التعليمات تم تخزينها على شريط خارجي ، مما يسمح لها بالعمل كنظام تشغيل كامل التحكم فيه.

ولعل أكثر ما يلفت الانتباه هو أن زوسي قام بمعظم عمله في عزلة. لم يكن على علم بأن Z3 كانت "Turing Complete" ، أو بعبارة أخرى ، قادرة على حل أي مشكلة حسابية رياضية - على الأقل نظريًا. ولم يكن لديه أي معرفة بمشاريع مماثلة جارية في نفس الوقت تقريبًا في أجزاء أخرى من العالم.

من بين أبرز هذه كانت جامعة هارفارد مارك الأول التي تمولها شركة آي بي إم ، والتي ظهرت لأول مرة في عام 1944. والأكثر واعدة ، على الرغم من ذلك ، كان تطوير الأنظمة الإلكترونية مثل النموذج الأولي للحوسبة في بريطانيا العظمى عام 1943 و ENIAC، أول كمبيوتر إلكتروني عام يعمل بكامل طاقته تم تشغيله في جامعة بنسلفانيا في عام 1946.

من مشروع ENIAC جاءت القفزة الكبيرة التالية في تكنولوجيا الحوسبة. جون فون نيومان ، عالم الرياضيات المجري الذي كان قد استشار مشروع ENIAC ، سيضع الأسس لجهاز كمبيوتر البرنامج المخزن. حتى هذه اللحظة ، كانت أجهزة الكمبيوتر تعمل على برامج ثابتة وتغير وظيفتها — على سبيل المثال ، من إجراء العمليات الحسابية إلى معالجة الكلمات. وقد تطلب ذلك عملية تستغرق وقتًا طويلاً في إعادة توصيلها وإعادة هيكلتها يدويًا. (لقد استغرق الأمر عدة أيام لإعادة برمجة ENIAC.) اقترح تورينج أنه من الناحية المثالية ، فإن وجود برنامج مخزن في الذاكرة سيسمح للكمبيوتر بتعديل نفسه بوتيرة أسرع بكثير. انبهر فون نيومان بالمفهوم وفي عام 1945 صاغ تقريرًا قدم بالتفصيل بنية قابلة للتنفيذ لحوسبة البرامج المخزنة.

سيتم نشر بحثه المنشور على نطاق واسع بين الفرق المتنافسة من الباحثين الذين يعملون على تصميمات الكمبيوتر المختلفة. في عام 1948 ، قدمت مجموعة في إنجلترا آلة مانشستر صغيرة الحجم التجريبية ، أول كمبيوتر يقوم بتشغيل برنامج مخزن بناءً على بنية فون نيومان. كان جهاز مانشستر الملقب ب "الطفل" جهاز كمبيوتر تجريبي خدم سلف السلف مانشستر مارك الأول. لم يكتمل EDVAC ، وهو تصميم الكمبيوتر الذي كان تقرير فون نيومان في الأصل ، حتى عام 1949.

لم تكن أجهزة الكمبيوتر الحديثة الأولى مثل المنتجات التجارية التي يستخدمها المستهلكون اليوم. لقد كانت وسائل منع الحمل الضخمة التي غالباً ما تشغل مساحة الغرفة بأكملها. كما امتصوا كميات هائلة من الطاقة وكانوا يشتهرون بالعربات التي تجرها الدواب. وبما أن هذه الحواسيب الأولى كانت تعمل على أنابيب مفرغة ضخمة ، فإن العلماء الذين يأملون في تحسين سرعات المعالجة إما أن يجدوا غرفًا أكبر - أو يبتكروا بديلاً.

لحسن الحظ ، كان هذا الاختراق الذي تمس الحاجة إليه قيد التنفيذ بالفعل. في عام 1947 ، طورت مجموعة من العلماء في معامل بيل الهاتف تقنية جديدة تسمى ترانزستورات نقطة الاتصال. مثل الأنابيب المفرغة ، تقوم الترانزستورات بتضخيم التيار الكهربائي ويمكن استخدامها كمفاتيح. الأهم من ذلك ، كانت أصغر بكثير (حول حجم كبسولة الأسبرين) ، وأكثر موثوقية ، واستخدمت طاقة أقل بكثير بشكل عام. سيتم منح المخترعين المشاركين جون باردين ووالتر براتين وويليام شوكلي في النهاية جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1956.

بينما واصل باردين وبراتين العمل البحثي ، انتقل شوكلي إلى تطوير وتسويق تكنولوجيا الترانزستور. كان أول مهندس في شركته التي تم تأسيسها حديثًا مهندسًا كهربائيًا يدعى روبرت نويس ، الذي انشقت في نهاية المطاف وشكلت شركته الخاصة ، فيرتشايلد اشباه الموصلات ، قسم من كاميرا فيرتشايلد و أداة. في ذلك الوقت ، كان Noyce يبحث عن طرق للدمج السلس للترانزستور والمكونات الأخرى في دائرة متكاملة واحدة للقضاء على العملية التي يجب أن يتم تجميعها معًا يدويًا. التفكير على نفس المنوال ، جاك كيلبي، مهندس في شركة Texas Instruments ، انتهى الأمر بتقديم براءة اختراع أولاً. ومع ذلك ، كان تصميم نويس هو الذي سيتم تبنيه على نطاق واسع.

حيث كان للدوائر المتكاملة التأثير الأكثر أهمية كان في تمهيد الطريق لعصر جديد من الحوسبة الشخصية. بمرور الوقت ، فتحت إمكانية تشغيل العمليات التي يتم تشغيلها بواسطة ملايين الدوائر - كل ذلك على رقاقة صغيرة بحجم طابع البريد. في الأساس ، هو ما مكن الأدوات المحمولة في كل مكان التي نستخدمها كل يوم ، والتي هي من المفارقات ، أقوى بكثير من أقدم أجهزة الكمبيوتر التي استهلكت غرفًا كاملة.