Η ανάγκη για την εκτέλεση υπολογισμών

Από τη στιγμή που δημιουργήθηκαν οι πρώτες οργανωμένες ομάδες και άρχισαν οι άνθρωποι να συναλλάσσονται μεταξύ τους, δημιουργήθηκε και η ανάγκη για την εκτέλεση διάφορων υπολογισμών. Στην αρχή, χρησιμοποίησαν κυρίως τα δάχτυλα των ποδιών και των χεριών και στη συνέχεια βότσαλα, σπόρους από σιτάρι και καλαμπόκι και διάφορα χειροποίητα εργαλεία για να λογαριάσουν ή να μετρήσουν. Αργότερα εμφανίστηκαν τα πρώτα αριθμητικά σύμβολα. Οι αρχαίοι Έλληνες ασχολήθηκαν με δύσκολα προβλήματα μαθηματικών και μηχανικής. Αλλά και οι Φοίνικες, οι Βαβυλώνιοι και οι Κινέζοι ασχολήθηκαν εντατικά με τα μαθηματικά.

Οι πληροφορίες που έχουμε για την αρχαία ελληνική τεχνολογία είναι κυρίως γραπτές. Οι μόνοι μηχανισμοί (ή θραύσματα) που έχουν βρεθεί είναι ο Μηχανισμός των Αντικυθήρων και ο Βυζαντινός μηχανισμός. Ο Μηχανισμός των Αντικυθήρων είναι μια συσκευή αστρονομικών υπολογισμών που χαρακτηρίζεται παγκόσμια ως ο "Αρχαιότερος Υπολογιστής". Κατασκευάστηκε γύρω στο 87 π.Χ. στη Ρόδο και διέθετε 32 γρανάζια. Κατά τη μεταφορά του στη Ρώμη, το πλοίο βούλιαξε κοντά στα Αντικύθηρα και ανακαλύφθηκε γύρω στα 1900 από ομάδα σφουγγαράδων. Σήμερα βρίσκεται στο Εθνικό Αρχαιολογικό Μουσείο. Ο Βυζαντινός ημερολογιακός - αστρονομικός μηχανισμός χρονολογείται γύρω στο 500 μ.Χ. και βρίσκεται από το 1985 στο Μουσείο Επιστημών του Λονδίνου.

Αρχαία Ελληνική Τεχνολογία Υπολογιστών

Η πρώτη συσκευή που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος για την εκτέλεση διάφορων υπολογισμών είναι ο άβακας, τον οποίο χρησιμοποιούσαν οι Αρχαίοι Έλληνες, οι Ρωμαίοι και οι Σουμέριοι.Γύρω στο 3.000 π.Χ. οι Κινέζοι βελτίωσαν τον άβακα, ο οποίος χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα. Αποτελείται από ένα ορθογώνιο πλαίσιο που χωρίζεται στα δύο με μία οριζόντια ράβδο και έχει κατακόρυφες σειρές με περασμένες χάντρες. Μετακινώντας τις χάντρες, σχηματίζονται αριθμοί και εκτελούνται οι στοιχειώδεις αριθμητικές πράξεις.Το αριθμητήρι ήταν μια παραλλαγή του άβακα πολύ διαδεδομένη στην Ανατολή και τη Ρωσσία.Σε πολλές χώρες της Άπω Ανατολής ο άβακας χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα.

Άβακας

Στο Μεσαίωνα, η εκτέλεση μιας πράξης πολλαπλασιασμού αποτελούσε έργο ειδικού. Το 1614 ο Σκωτσέζος μαθηματικός Τζων Νέπιερ (John Napier) επινόησε τους λογαρίθμους, ένα βασικό εργαλείο που μετατρέπει σύνθετα προβλήματα πολλαπλασιασμού σε απλά προβλήματα πρόσθεσης.Το 1617 ο Νέπιερ κατασκεύασε μια πρωτόγονη -μη λογαριθμική - συσκευή για την εκτέλεση πολλαπλασιασμών με το όνομα "κόκκαλα του Νέπιερ".Με βάση τους λογαρίθμους, το 1630 ο Άγγλος Ουίλιαμ Όουτρεντ κατασκεύασε το λογαριθμικό κανόνα, που είναι το πρώτο αναλογικό υπολογιστικό όργανο.

Οι επινοήσεις του Νέπιερ (Napier)

Ο εφευρέτης της πρώτης υπολογιστικής μηχανής ήταν ένας ελάχιστα γνωστός Γερμανός με το όνομα Βίλχελμ Σίκαρντ (Wilhelm Schickard). Ο Σίκαρντ κατασκεύασε το 1623 - εμπνευσμένος από τα "κόκκαλα του Νέπιερ" - τη μηχανή που ονόμασε "ρολόι που υπολογίζει".Λειτουργούσε με οδοντωτούς τροχούς και εκτελούσε μηχανικά προσθέσεις και αφαιρέσεις, ενώ την ολοκλήρωνε η διάταξη του Νέπιερ ώστε να κάνει και πολλαπλασιασμούς.Η μηχανή δυστυχώς καταστράφηκε σε μια πυρκαγιά κατά τη διάρκεια του Τριακονταετούς Πολέμου.

Η πρώτη αυτόματη υπολογιστική μηχανή

Το 1642, ο Γάλλος Μπλεζ Πασκάλ (Blaise Pascal) επινόησε με βάση τους οδοντωτούς τροχούς ένα μηχανισμό για προσθέσεις - την "πασχαλινή" - η οποία θεωρείται από πολλούς (που αγνοούν την ύπαρξη του Σίκαρντ) ως η "πρώτη υπολογιστική μηχανή".Μερικά χρόνια αργότερα (το 1673), ο Γερμανός φιλόσοφος και μαθηματικός Γκότφριντ Λάιμπνιτζ κατασκεύασε μια πιο βελτιωμένη υπολογιστική μηχανή, ικανή να πολλαπλασιάζει και να διαιρεί.

Αριθμομηχανές με οδοντωτούς τροχούς

Σε όλη τη διάρκεια του 18ου αιώνα, οι Γάλλοι μεταξοϋφαντουργοί είχαν πειραματιστεί με διάφορους τρόπους για να κατευθύνουν τους αργαλειούς τους.Το 1821, ο μηχανικός - υφαντουργός Ζοζέφ Ζακάρ (Joseph Jacquard) κάνοντας χρήση του δυαδικού κώδικα, κατασκεύασε τον πρώτο αυτόματο αργαλειό που μπορούσε να χειριστεί τρομερά πολύπλοκα σχέδια. Ο προγραμματισμός του αργαλειού γινόταν με ολόκληρο βουνό από διάτρητες κάρτες.Ο αργαλειός του Ζακάρ έφερε επανάσταση στη κλωστοϋφαντουργία και οι βασικές αρχές του εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται και σήμερα.

Ο αργαλειός του Ζακάρ

Το 1812, ο Άγγλος μαθηματικός Τσαρλς Μπάμπατζ (Charles Babbage) σχεδίασε τον πρώτο του υπολογιστή - τη Διαφορική Μηχανή -με σκοπό τη δημιουργία μαθηματικών πινάκων. Στην προσπάθεια υλοποίησης της μηχανής, συνάντησε προβλήματα τεχνικής φύσης και το έργο του έμεινε ανολοκλήρωτο.Παρ' όλα αυτά, ο Μπάμπατζ προχώρησε στη σύλληψη μιας ακόμη πιο φιλόδοξης μηχανής. Η Αναλυτική Μηχανή είχε σχεδιαστεί έτσι ώστε να εκτελεί ένα ευρύ φάσμα υπολογισμών σύμφωνα με τις οδηγίες του χειριστή της. Η μηχανή αυτή ποτέ δεν κατασκευάστηκε διότι δεν το επέτρεπε το μέγεθος των εξαρτημάτων της και έμεινε ως σχέδιο στα χαρτιά.

Οι μηχανές του Babbage

Κατά το τέλος του 19ου αιώνα σημειώθηκε μια έκρηξη ιδεών σχετικά με τις επιτραπέζιες υπολογιστικές μηχανές, με σκοπό την κατάργηση των μηχανικών τμημάτων.Ο Γάλλος Λεόν Μπολέ έθεσε σε λειτουργία μια μηχανή που διέθετε εσωτερικό πίνακα πολλαπλασιασμού, τον "εκατομμυριούχο".Ο Αμερικανός Φελτ πρόσθεσε στις υπολογιστικές μηχανές πληκτρολόγιο και κατασκεύασε το υπολογιστόμετρο, το οποίο χρησιμοποιούσε πλήκτρα για την εισαγωγή των αριθμών, εκεί όπου παραδοσιακά χρησιμοποιούνταν περιστρεφόμενοι τροχοί (η "πασχαλινή" και οι απόγονοι της). Ο Φελτ με τις νέες ιδέες του έδωσε μια μεγάλη ώθηση στην κατασκευή τέτοιων μηχανών.

Eπιτραπέζιες Υπολογιστικές Μηχανές

Σε ένα διαγωνισμό ταχύτητας, που οργάνωσε η στατιστική υπηρεσία των Η.Π.Α. για την εξεύρεση του πιο γρήγορου τρόπου μελέτης των στοιχείων της απογραφής του 1890, νικητής αναδείχθηκε ο στατιστικολόγος Χέρμαν Χόλλεριθ.Ο Χόλλεριθ παρουσίασε έναν υπολογιστή, που ονόμασε Μηχανή Πινάκων και επεξεργάζονταν στοιχεία που βρισκόντουσαν σε διάτρητα δελτία τύπου Ζακάρ.Ο Χόλλεριθ για να μπορέσει να ανταποκριθεί στη ζήτηση της μηχανής του από πολλές επιχειρήσεις, όπως τράπεζες, σιδηρόδρομοι κλπ ίδρυσε την "Εταιρεία Μηχανών Σύνταξης Πινάκων", η οποία το 1924 μετονομάστηκε στην πασίγνωστη σήμερα εταιρεία ηλεκτρονικών υπολογιστών, ΙΒΜ.

Η Μηχανή Πινάκων

To 1936, ο Γερμανός μηχανολόγος Κόνραντ Τσούζε ξεκίνησε προσπάθειες για την κατασκευή μιας προγραμματιζόμενης υπολογιστικής μηχανής, την οποία και υλοποίησε πρώτος από όλους το 1941.Κατασκεύασε μια σειρά από τέσσερα μοντέλα - τη σειρά των μοντέλων Ζ - στα οποία έκανε χρήση της μεγάλης δύναμης της εποχής : του ηλεκτρισμού. Εισήγαγε πρώτος την καινοτομία των ηλεκτρονόμων, ανοίγοντας το δρόμο για τους μεγάλους ηλεκτρομηχανικούς υπολογιστές της εποχής.Όλες οι μηχανές του - με εξαίρεση το τελευταίο μοντέλο Ζ4 - καταστράφηκαν εξαιτίας του πολέμου.

Σειρά μοντέλων Ζ

Το 1939, μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον καθηγητή Χάουαρντ 'Εικεν ξεκίνησε την υλοποίηση μιας υπολογιστικής μηχανής γενικής χρήσης. Η ομάδα χρησιμοποίησε έννοιες του 19ου αιώνα - στοιχεία της Αναλυτικής μηχανής - συνδυασμένα με τη νέα τεχνολογία - τους ηλεκτρονόμους. Η Ι.Β.Μ. χρηματοδότησε το έργο και το 1944 τέθηκε σε λειτουργία ο MARK-1. H εξωτερική όψη του MARK-1 ήταν εντυπωσιακή : είχε ύψος 2.5m και μήκος 16m (κάλυπτε δηλ. επιφάνεια 40 τ.μ. !) και για την κατασκευή του χρησιμοποιήθηκαν περίπου 1.000.000 διαφορετικά εξαρτήματα, συνδεδεμένα μεταξύ τους με καλώδια μήκους 1.300 km. Ζύγιζε 5 τόνους και κάθε μέρα χρειαζόταν μερικούς τόνους πάγου για να ψυχθεί.

MARK - I

Στις αρχές της δεκαετίας του '40 - όταν είχε ήδη ξεσπάσει ο Β' Παγκόσμιος πόλεμος - η Βρεταννική Κυβέρνηση ίδρυσε ένα ερευνητικό κέντρο στο Μπέτσλι Παρκ με σκοπό το "σπάσιμο" του μυστικού κώδικα του γερμανικού στρατού.Τα γερμανικά σήματα κωδικοποιούνταν από μια μηχανή που λεγόταν "ΑΙΝΙΓΜΑ".Τα "παιδιά των πίσω δωματίων" (έτσι ονομάστηκε η ερευνητική ομάδα) - ανάμεσα τους και ο 'Αλαν Τιούρινγκ, ένας λαμπρός μαθηματικός - υλοποίησαν διάφορες μηχανές, καταλήγοντας τελικά το 1943 στον "Κολοσσό", ο οποίος έσπασε τελικά τον γερμανικό κώδικα.Ο "Κολοσσός" ήταν η πρώτη μηχανή που χρησιμοποίησε λυχνίες κενού αντί για ηλεκτρομηχανικούς διακόπτες.

“Kολοσσός”

Ο ENIAC είναι ο πρώτος ηλεκτρονικός ψηφιακός υπολογιστής, που χρησιμοποιούσε εξ ολοκλήρου λυχνίες κενού.Ο ENIAC είχε μεγάλο όγκο, καταλάμβανε συνολική επιφάνεια 160 m2 και αποτελούνταν από 40 μεταλλικές πλάκες που ζύγιζαν συνολικά 30 τόνους. Για την κατασκευή του χρησιμοποιήθηκαν 18.000 λυχνίες και 1.500 ηλεκτρομηχανικοί διακόπτες. Η αρχιτεκτονική του βασιζόταν στην ένωση των εξαρτημάτων του με πολλά χιλιόμετρα καλωδιώσεων. Η αποθήκευση των οδηγιών γινόταν με κατάλληλη καλωδίωση σε ένα πίνακα του υπολογιστή.Ο ENIAC κατανάλωνε μεγάλη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας. Λεγόταν μάλιστα ότι όταν έμπαινε σε λειτουργία, έσβηναν όλα τα φώτα της Δυτικής Φιλαδέλφεια.

ENIAC

Ο Τζων Φον Νόυμαν σε ένα υπόμνημα-ορόσημο που δημοσιεύτηκε το 1945, έδωσε το περίγραμμα των βασικών στοιχείων ενός υπολογιστικού συστήματος. Ανέπτυξε τα πέντε βασικά συστατικά στοιχεία που απαρτίζουν έναν υπολογιστή, έτσι ώστε να είναι ταυτόχρονα αποτελεσματικός και γενικής χρήσης: μονάδα αριθμητικής λογικής (ALU) μονάδα ελέγχου για ρύθμιση λειτουργιών μνήμη μονάδα εισόδου δεδομένων και μονάδα εξόδου αποτελεσμάτων.

Ανέφερε επίσης ότι ένα τέτοιο σύστημα θα έπρεπε: να χειρίζεται δυαδικούς αριθμούς να λειτουργεί ηλεκτρονικά και να εκτελεί τις λειτουργίες του μία-μία.

Βασικές αρχές υπολογιστών

1η γενιά υπολογιστών (1945-1953)

Σε αυτή τη γενιά ανήκουν οι υπολογιστές που κατασκευάστηκαν με βάση τις αρχές του Νόυμαν, με βασικό δομικό συστατικό την ηλεκτρονική λυχνία τύπου ENIAC (τεράστια, ακριβή και δύσχρηστη). H χρήση τους περιορίστηκε σε μερικά πανεπιστημιακά ή στρατιωτικά κέντρα ερευνών, καθώς και σε μερικές μεγάλες βιομηχανίες. Όλοι οι υπολογιστές της γενιάς αυτής χαρακτηρίζονται ως mainframe (κεντρικοί υπολογιστές). Το βασικό χαρακτηριστικό αυτής της γενιάς υπολογιστών είναι η χρήση λυχνιών κενού. Ακόμη υπήρχαν οι μνήμες μαγνητικού τυμπάνου και μαγνητικού πυρήνα, όπως επίσης και λυχνίες Williams.

2η γενιά υπολογιστών (1953-1964)

Το βασικό χαρακτηριστικό των υπολογιστών 2ης γενιάς ήταν η αντικατάσταση των δύσχρηστων λυχνιών από το τρανζίστορ. Τα πρώτα τρανζίστορ ήταν σημειακής επαφής: δύο σύρματα και μια σύνδεση της βάσης προσαρμόζονταν σε ένα κρύσταλλο γερμανίου, ο οποίος σφραγιζόταν με ειδικό περίβλημα. Μετά από χρόνια αδιάκοπων βελτιώσεων παρουσιάστηκε το επίπεδο τρανζίστορ, ένα μικροσκοπικό εξάρτημα που χαράσσεται πάνω σε μια φέτα πυριτίου με μήκος μόλις 0,125 χιλιοστά, οι διαστάσεις του οποίου συνεχώς μικραίνουν από τότε. Με αυτή την τεχνολογία (του τρανζίστορ) δόθηκε ουσιαστικά η ώθηση για την περαιτέρω αλματώδη εξέλιξη της ηλεκτρονικής.

3η γενιά υπολογιστών (1964 – 1973)

Μια ακόμη επανάσταση στο χώρο της ηλεκτρονικής σηματοδοτεί την επόμενη γενεά υπολογιστών, το ολοκληρωμένο κύκλωμα (Integrated Circuit - IC) γνωστό και με το όνομα μικροτσίπ ή τσιπ, μια επινόηση του Τζακ Κίλμπι. Το 1970 παρουσιάζεται το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα μνήμης. Το 1970 παρουσιάζεται και η οπτική ίνα, η οποία δίνει νέα ώθηση στον τομέα των επικοινωνιών.

4η γενιά υπολογιστών (1973 – σήμερα)

Η δημιουργία του πρώτου μικροεπεξεργαστή - του INTEL 4004 - από τον Τεντ Χοφ σηματοδοτεί μια περίοδο μεγάλης ανάπτυξης και βελτίωσης των υπολογιστών. Η χρησιμοποίηση της "Ολοκλήρωσης Μεγάλης Κλίμακας (LSI)" οδήγησε στην εποχή των "Mικροϋπολογιστών", με μηχανήματα που χωράνε πλέον πάνω στο γραφείο, στο εργαστήριο, ή ακόμη και σε τσέπες. Ο πρώτος "μικροϋπολογιστής" (ή "προσωπικός υπολογιστής", PC) που κυκλοφόρησε στο εμπόριο ήταν ο Altair 8800 από τον Εντ Ρόμπερτς.