Lịch sử phần cứng máy tính

Lịch sử phần cứng máy tính(phần I) Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Bước tới: menu, tìm kiếm Phần cứng máy tính là nền tảng cho xử lý thông tin (sơ đồ khối). Lịch sử phần cứng máy tính bao quát lịch sử của phần cứng máy tính, kiến trúc của nó, và những ảnh hưởng đối với phần mềm. Trước đây việc tính toán do con người đảm nhiệm, những người này được gọi là computer (người tính toán)[1]. Kiến trúc von Neumann đã thống nhất các hiện thực phần cứng máy tính hiện nay của chúng ta[2]. Phần tử chủ yếu của phần cứng máy tính là ngõ nhập (input)[3], ngõ xuất (output)[4], điều khiển[5] và đường dữ liệu (hai cái này cùng với nhau tạo thành một bộ xử lý)[6], và bộ nhớ[7]. Chúng đã trải qua những quá trình chọn lọc và phát triển liên tục trong suốt lịch sử phần cứng máy tính. Bắt đầu bằng các cơ chế cơ khí, phần cứng từ khi đó đã bắt đầu sử dụng tín hiệu tương tự để tính toán, bao gồm nước và thậm chí cả không khí làm số lượng tương tự: máy tính tương tự đã sử dụng chiều dài, áp suất, điện thế, và dòng điện để đại diện cho kết quả tính toán[8]. Cuối cùng điện thế hay dòng điện đã được chuẩn hóa và máy tính kỹ thuật số đã được phát triển qua một thời kỳ cách mạng có từ cách đây cả thế kỷ. Các phần tử tính toán kỹ thuật số bao gồm từ các bánh xe cơ khí, đến rờ-le cơ điện, ống chân không, bóng bán dẫn (transistor), và cuối cùng là mạch tích hợp, tất cả chúng ngày nay đều được hiện thực theo kiến trúc von Neumann[9]. Vì máy tính số phụ thuộc vào bộ lưu trữ số, và có xu hướng bị giới hạn về kích thước và tốc độ bộ nhớ, lịch sử của bộ lưu trữ dữ liệu máy tính gắn liền với sự phát triển của máy vi tính. Cấp độ phát triển của phần cứng máy tính đã thúc đẩy việc sử dụng công nghệ trên toàn thế giới. Thậm chí khi hiệu suất đã tăng lên, giá cả lại giảm xuống[10], cho đến khi máy tính trở thành tiện nghi, tiếp cận đến ngày càng nhiều các lĩnh vực[11] của con người trên thế giới. Phần cứng máy tính do đó trở thành một nền tảng để sử dụng hơn là để tính toán, như tự động hóa, thông tin liên lạc, điều khiển, giải trí, và giáo dục. Mỗi lĩnh vực đến phiên nó lại có những yêu cầu riêng cho phần cứng, rồi phần cứng sẽ tiếp tục phát triển để đáp ứng các yêu cầu đó[12]. Những máy tính toán đầu tiên Bài chi tiết: calculator Bàn tính (con số hiển thị trên bàn tính này là 6.302.715.408) Nhiều thiết bị đã được dùng để trợ giúp trong việc tính toán từ cách đây hàng ngàn năm, sử dụng tương ứng một-một với ngón tay của chúng ta[13]. Thiết bị đếm sớm nhất có thể là que tính. Sau đó những thiết bị hỗ trợ việc lưu giữ số liệu tại vùng Trăng lưỡi liềm màu mỡ bao gồm các hình thù đất sét, đại diện cho số đếm các vật, có thể là thú nuôi hay thóc lúa, được dán kín trong thùng chứa[14]. Bàn tính được dùng trong công việc liên quan đến con số. Bàn tính La Mã được dùng tại Babylonia từ năm 2400 TCN. Kể từ đó, nhiều loại bàn hoặc thẻ dùng để đếm đã được phát minh ra. Trong phòng tính toán vào thời trung cổ, một miếng vải để tính toán được đặt trên bàn, và các vật ghi di chuyển xung quanh theo một quy luật nào đó, như một cách hỗ trợ tính tổng tiền[15]. Một số máy tính tương tự được xây dựng vào thời cổ đại và trung cổ để thực hiện các phép tính thiên văn. Nó bao gồm máy Antikythera và dụng cụ đo độ cao thiên thể của Hy Lạp cổ đại (khoảng 150-100 TCN), và nói chung được xem là những máy tính cơ khí đầu tiên[16]. Những dạng thiết bị cơ khí đầu tiên được dùng để thực hiện một số loại phép tính bao gồm bình đồ địa cầu; một số phát minh của Abū Rayhān al-Bīrūnī (khoảng 1000 CN); Equatorium của Abū Ishāq Ibrāhīm al-Zarqālī (khoảng 1015 CN); máy tính thiên văn theo kỹ thuật tương tự của những nhà thiên văn và kỹ sư Hồi giáo thời Trung cổ, và Tháp đồng hồ thiên văn của Tô Tụng trong thời kỳ nhà Tống. John Napier (1550–1617) đã ghi rằng phép nhân và phép chia các số có thể thực hiện lần lượt bằng phép cộng hoặc trừ lô-ga-rít của các số đó. Khi tạo ra bảng lô-ga-rít đầu tiên Napier cần phải thực hiện nhiều phép nhân, và nhờ vào điểm này mà ông thiết kế ra Napier's bones, một thiết bị giống như bảng tính được dùng để nhân và chia[17]. Vì số thực có thể được biểu diễn bằng chiều dài hoặc khoảng cách trên một đường thẳng, thước loga được phát minh vào những năm 1620 cho phép thực hiện phép nhân và chia nhanh hơn rất nhiều so với trước đó[18]. Thước loga được nhiều thế hệ kỹ sư và những công nhân chuyên nghiệp sử dụng toán nhiều sử dụng từ lúc đó, cho đến khi có phát minh máy tính bỏ túi. Các kỹ sư trong chương trình Apllo với mục tiêu gửi con người lên mặt trăng đã thực hiện nhiều phép tính toán trên thước loga, với độ chính xác đến ba hoặc bốn con số. Một máy tính cơ khí vào năm 1914. Để ý cánh tay được dùng để xoay bánh xe. Vào năm 1623, Wilhelm Schickard đã tạo ra chiếc máy tính cơ khí kỹ thuật số đầu tiên và do đó trở thành cha đẻ của kỷ nguyên máy tính[19]. Vì chiếc máy của ông sử dụng nhiều kỹ thuật như răng và bánh răng được phát triển đầu tiên dành cho đồng hồ, nó còn có tên 'đồng hồ tính toán'. Nó được sử dụng vào thực tế nhờ người bạn của ông, Johannes Kepler, người đã tạo ra cuộc cách mạng về thiên văn học. Máy tính nguyên thủy của Pascal (1640) hiện còn được bảo quản tại Bảo thàng Zwinger. Tiếp sau đó là những bộ máy do Blaise Pascal (Pascaline, 1642) và Gottfried Wilhelm von Leibniz (1671) sáng chế.  "Thật là không đáng khi những con người xuất sắc lại mất hàng giờ để làm công việc tính toán như nô lệ trong khi nó có thể được giao cho bất cứ ai nếu máy móc được sử dụng." —Leibniz Khoảng năm 1820, Charles Xavier Thomas đã tạo thành công chiếc máy tính cơ học được sản xuất hàng loạt đầu tiên, Máy kế toán Thomas, nó có thể cộng, trừ, nhân, và chia. Nó dựa chủ yếu vào công trình của Leibniz. Những chiếc máy tính cơ học, như máy cộng trừ cơ số 10, máy đếm, Monroe, Curta và Addo-X vẫn còn được sử dụng cho đến những năm 1970. Leibniz cũng đã mô tả hệ thống số nhị phân,[20] một thành phần cốt lõi của mọi máy tính hiện đại. Tuy nhiên, cho đến những năm 1940, nhiều thiết kế sau đó (bao gồm những chiếc máy của Charles Babbage vào những năm 1800 và thậm chí ENIAC năm 1945) vẫn dựa trên hệ thập phân[21]; Máy đếm vòng của ENIAC đã vượt qua phép tính của các bánh xe số trong máy cộng cơ học. 1801: công nghệ thẻ đục lỗ Bài chi tiết: máy phân tích Xem thêm: piano luận lý Từ năm 1725 Basile Bouchon đã dùng một cuộn giấy được đục lỗ trong một máy dệt để tạo những kiểu mẫu có thể dùng đi dùng lại trên vải, và vào năm 1726 đồng nghiệp của ông là Jean-Baptiste Falcon đã phát triển thiết kế bằng cách sử dụng những thẻ giấy đục lỗ gắn với nhau để thuận tiện trong việc tra lắp và thay đổi chương trình. Máy dệt Bouchon-Falcon là bán tự động và cần phải có người đưa chương trình vào. Vào năm 1801, Joseph-Marie Jacquard đã phát triển một máy dệt trong đó kiểu mẫu đang dùng để dệt được điều khiển bằng thẻ đục lỗ. Một loạt các thẻ có thể được thay đổi mà không phải thay đổi thiết kế cơ khí của máy dệt. Đây là bước ngoặt trong khả năng lập trình. Hệ thống thẻ đục lỗ trong máy phát nhạc. Còn được gọi là Sách nhạc, một loại đàn châu Âu chơi không dừng Vào năm 1833, Charles Babbage chuyển từ việc phát triển máy sai phân của ông sang phát triển một thiết kế hoàn chỉnh hơn, máy phân tích, nó sẽ kéo trực tiếp những thẻ đục lỗ của Jacquard để lập trình[22]. Vào năm 1835, Babbage đã mô tả máy phân tích của ông. Đó là kế hoạch về một chiếc máy tính có thể lập trình đa mục đích, sử dụng thẻ đục lỗ làm ngõ nhập và một máy hơi nước làm năng lượng. Một phát minh cốt yếu đó là sử dụng bánh xe làm chức năng như các hạt của bàn tính. Theo ý nghĩa thực tế, những chiếc máy tính này chỉ toàn chứa những bàn tính tự động (kỹ thuật gọi là đơn vị luận lý số học hay đơn vị dấu chấm động). Ý tưởng ban đầu của ông là dùng thẻ đục lỗ để điều khiển một bộ máy mà có thể tính và in ra những bảng lô-ga-rít với độ chính xác cực lớn (một máy tính với mục đích cụ thể). Ý tưởng của Babbage nhanh chóng phát triển thành máy tính lập trình được đa mục đích, máy phân tích của ông. Dù thiết kế của ông hợp lý và kế hoạch dường như đúng đắn, hay ít nhất cũng có thể gỡ rối được, dự án rất chậm chạp vì nhiều vấn đề khác nhau. Babbage là một đồng nghiệp khó tính và luôn tranh cãi với bất cứ ai không tôn trọng ý tưởng của ông. Tất cả các bộ phận của chiếc máy của ông đều làm bằng tay. Những lỗi nhỏ trong mỗi bộ phận đôi khi có thể tạo thành những sai biệt lớn trong một bộ máy có hàng ngàn bộ phận, do đó đòi hỏi những bộ phận này phải tốt hơn nhiều so với sức chịu đựng thông thường vào thời kỳ đó. Dự án tan vỡ do những tranh cãi với người thợ thủ công làm ra những bộ phận đó và kết thúc bằng sự rút vốn của chính phủ. Ada Lovelace, con gái của Ngài Byron, đã dịch và thêm những ghi chú vào "Sketch of the Analytical Engine" (Phác họa máy phân tích) của Federico Luigi, Conte Menabrea[23]. Máy tính bảng IBM 407, (1961). Việc tái tạo chiếc Máy sai phân II, một thiết kế cũ hơn, nhiều hạn chế hơn, được tiến hành từ năm 1991 tại Bảo tàng Khoa học Luân Đôn. Với một ít thay đổi không đáng kể, nó hoạt động đúng như thiết kế của Babbage và chứng tỏ rằng lý thuyết của Babbage là đúng đắn. Bảo tàng đã sử dụng những công cụ máy móc do máy tính điều hành để tạo nên những bộ phận cần thiết, theo khả năng mà một nhà cơ khí vào thời kỳ đó có thể làm được. Thất bại của Babbage trong việc hoàn thành chiếc máy trước hết có thể do những khó khăn không chỉ liên quan đến chính trị và tài chính, mà còn do tham vọng của ông muốn phát triển một chiếc máy ngày càng tinh vi[24]. Tiếp sau bước chân của Babbage, dù không ý thức được công việc trước đó của ông, là Percy Ludgate, một nhân viên kế toán đến từ Dublin, Ireland. Ông thiết kế độc lập một máy tính cơ khí lập trình được, điều mà ông đã mô tả trong một tác phẩm phát hành vào năm 1909. Thẻ đục lỗ với bảng chữ cái mở rộng. Vào năm 1890, Cục điều tra dân số Hoa Kỳ đã dùng thẻ đục lỗ, máy sắp xếp, và máy tính bảng do Herman Hollerith thiết kế để xử lý hàng núi dữ liệu từ cuộc điều tra dân số mười năm một lần theo ủy nhiệm của Hiến pháp[25]. Công ty của Hollerith sau này đã trở thành nòng cốt của IBM. IBM đã phát triển công nghệ thẻ đục lỗ thành một công cụ mạnh mẽ cho việc xử lý dữ liệu kinh doanh và tạo ra một dòng thiết bị ghi đơn vị chuyên biệt hóa rộng rãi. Đến năm 1950, thẻ IBM tồn tại khắp nơi trong công nghiệp và chính phủ, Lời cảnh báo được in trên phần lớn các thẻ dùng cho lưu thông ở dạng tài liệu (như séc), "Đừng gấp, bẻ cong hoặc xé", trở thành một khầu hiệu trong thời kỳ hậu Chiến tranh thế giới lần thứ hai[26]. Những bài viết của Leslie Comrie về những phương pháp thẻ đục lỗ và bài báo của W.J. Eckert về Các phương pháp thẻ đục lỗ trong tính toán khoa học vào năm 1940, đã mô tả những kỹ thuật đủ tiên tiến để giải phương trình vi phân[27] hoặc thực hiện phép nhân và chia sử dụng cách biểu diễn dấu chấm động, tất cả đều bằng thẻ đục lỗ và máy ghi đơn vị. Trong hình máy tính bảng (bên trái), hãy để ý bảng vá, có thể thấy ở phía bên phải máy tính bảng. Một hàng công tắc đóng mở nằm ở phía trên bảng vá. Cục tính toán thiên văn Thomas J. Watson, Đại học Columbia đã thực hiện những phép tính thiên văn đại diện cho nghệ thuật trong tính toán[28]. Kỷ nguyên lập trình máy tính trên thẻ đục lỗ xoay quanh trung tâm máy tính. Ví dụ, những người dùng máy tính, sinh viên khoa học và kỹ thuật tại trường đại học, sẽ gửi bài tập lập trình của họ đến trung tâm máy tính của trường theo dạng một chồng thẻ, mỗi thẻ là một dòng chương trình. Sau đó họ phải chờ chương trình xếp hàng để được xử lý, biên dịch, và thực thi. Vào cuối khóa học một bản in các kết quả, đánh dấu bằng mã số của người nộp, sẽ được đặt trong khay ngõ xuất bên ngoài trung tâm máy tính. Có nhiều trường hợp những kết quả này sẽ chỉ gồm một bản in các thông báo lỗi do cú pháp chương trình v.v., đòi hỏi phải thực hiện một quy trình sửa-dịch-chạy khác[29]. Thẻ đục lỗ vẫn còn được dùng và sản xuất đến ngày nay, và kích thước đặc biệt của chúng[30] (và dung lượng 80 dòng) vẫn có thể nhận ra trong nhiều hình thức, bản ghi, và chương trình trên khắp thế giới. Thập niên 1930–1960: máy tính toán để bàn Bài chi tiết: Máy hậu Turing Xem thêm thông tin: thể loại:mô hình tính toán Máy tính Curta cũng có thể nhân và chia Đến thập niên 1990, những máy tính cơ khí trước đó, máy ghi tiền, máy kế toán, v.v. đã được thiết kế lại để sử dụng mô-tơ điện tử, với vị trí của cần gạt đại diện cho trạng thái của một biến. Vào những năm 1920 sở thích của Lewis Fry Richardson trong việc dự đoán thời tiết đã đưa ông đến việc nghiên cứu phân tích số; đến nay, những máy tính mạnh nhất trên Trái đất đều cần dùng để mô hình hóa đầy đủ phương trình Navier- Stokes, được dùng để mô hình hóa thời tiết. Những công ty như Friden, Marchant Calculator và Monroe đã tạo ra những máy tính toán cơ khí để bàn từ những năm 1930 có thể thực hiện các phép tính cộng, trừ, nhân và chia. Từ "computer" là một loại công việc dành cho những người sử dụng những máy tính này để thực hiện các phép tính toán học. Trong Dự án Manhattan, Richard Feynman, người sau này đoạt giải thưởng Nobel, là người giám sát một căn phòng đầy những người tính toán, phần nhiều trong số họ là những nhà toán học nữ, người hiểu biết về phương trình vi phân, đang cố gắng giải chúng để trợ giúp cho chiến tranh. Thậm chí Stanisław Ulam trứ danh đã bị thúc ép vào công việc dịch toán học thành các con số xấp xỉ tính toán được để tạo bom hydro, sau chiến tranh. Vào năm 1948, Curta được ra mắt. Đây là một máy tính cơ khí nhỏ, gọn có kích thước khoảng bằng máy xay tiêu. Qua thời gian, trong suốt thập niên 1950 và 1960 nhiều chủng loại máy tính toán khác nhau đã xuất hiện trên thị trường. Máy tính toán để bàn dùng hoàn toàn điện tử đầu tiên là chiếc máy ANITA Mk.VII của Anh, sử dụng màn hình ống Nixie và 177 ống thyratron cực nhỏ. Vào tháng 6 năm 1963, Friden đã giới thiệu EC- 130 bốn chức năng. Nó được thiết kế hoàn toàn bằng bóng bán dẫn, dung lượng 13 chữ số trên một màn hình CRT5 inch (130 mm), và đã giới thiệu ký hiệu Ba Lan nghịch đảo (RPN) cho thị trường máy tính toán với giá là 2200 dollar Mỹ. Mẫu EC-132 thêm chức năng khai căn và nghịch đảo. Vào năm 1965, Phòng nghiên cứu Wang đã sản xuất máy tính toán để bàn bằng bóng bán dẫn 10 chữ số LOCI-2, sử dụng màn hình hiển thị ống Nixie và có thể tính lô-ga-rít.