سیر تکاملی کامپیوترها – چگونه کامپیوترها از ابعاد یک خانه به کوچکی یک ناخن رسیدند؟

کامپیوترها از جایگاه مهمی در جامعه مدرن برخوردار بوده و در دهه های اخیر نقش اساسی در پیشرفت بشریت داشته اند. اگر نگاهی به اطراف بیندازید آن ها را در همه جا پیدا خواهید کرد. کامپیوترها در تلفن های هوشمند، ساعت های مچی، ضربان سازهایی که قلب معیوب افراد را کنترل می کنند، موتور اتومبیل ها، آسانسورها، چراغ های راهنمایی و رانندگی در چهار راه ها، ایمپلنت ها و سمعک ها و حتی صندلی توالت، حضور دارند.

با این حال، کامپیوترها همیشه به این شکل نبوده اند. کامپیوترهای اولیه بسیار بزرگ بودند و سایز آن ها اغلب به اندازه یک اتاق می رسید. این دستگاه های عظیم به سختی می توانستند به قدرت پردازش دستگاه هایی که اکنون به راحتی در جیب همه وجود دارد، برسند.

پردازش اطلاعات می توانست تا ساعت ها طول بکشد، درحالیکه که تلفن های هوشمند فقط در چند ثانیه این کار را انجام می دهند. با توجه به اینکه این پیشرفت تنها چند دهه طول کشید، این یک شاهکار محسوب می شود. آشکار ساختن چگونگی پیشرفت این تکنولوژی به ما كمک می كند تا این جهش در محاسبات کامپیوتری و به دنبال آن بشیرت در قرن اخیر را درک کنیم.

چرا کامپیوترهای اولیه خیلی بزرگ بودند؟

اساسی ترین هدف از استفاده از یک کامپیوتر، گرفتن ورودی از محیط خارج (تهیه شده توسط انسان و در موارد فعلی، محیط های خارجی و برنامه های دیگر) و پردازش آن برای تولید یک خروجی معنی دار بود.

کامپیوترها قبل از برق به اشکال ابتدایی وجود داشته اند. این ها دستگاه های مکاتبات یک به یک بودند که از انگشتان دست برای انجام محاسبات ساده استفاده می کردند (مثل چرتکه). این دستگاه ها برای انجام محاسبات سریع تر و پیچیده تر، بطور مکرر استفاده می شدند.

در سال ۱۸۰۴ جهشی بزرگ توسط جوزف ماری ژاکارد صورت گرفت. او سیستمی را توسعه داد که در آن از کارت های پانچ (کارت های کاغذی سوراخ دار که داده ها و دستورالعمل های کامپیوتر را نشان می دهند) به عنوان ورودی برای دستگاه نساجی استفاده می شد.

با این روش امکان آن وجود داشت تا برای دادن ورودی جدید، کارت جدیدی را جایگزین کنند و بدین ترتیب نیاز به تنظیم مجدد دستگاه اصلی نبود. با این حال، در سال ۱۸۳۳ بود که چارلز بابیج (پدر کامپیوتر) اولین کامپیوتر دارای کاربردی عمومی را اختراع کرد. این کامپیوتر دارای یک موتور تحلیلی انقلابی بود که از کارت های پانچ به عنوان ورودی، و یک چاپگر به عنوان خروجی استفاده می کرد.

پس از توزیع گسترده برق، از رله های الکترومکانیکی به عنوان سوئیچ برای تعامل با کامپیوترها استفاده می شد. برای کامپیوترهای آنالوگ، استفاده از یک کمیت فیزیکی با قابلیت تغییر پیوسته بسیار حیاتی بود.

برای این منظور از پدیده های فیزیکی مانند کمیت های الکتریکی، مکانیکی و هیدرولیکی برای مدل سازی مسئله ای که نیاز به حل داشت، استفاده می شد (مثلا استفاده از ترمومتر برای اندازه گیری دما و یا سرعت سنج برای اندازه گیری سرعت وسیله نقلیه). این کامپیوترها در جنگ جهانی اول مورد استفاده گسترده قرار گرفتند.

در مقابل، کامپیوترهای دیجیتالی از اعداد برای تعریف کلمات، ارقام و سایر نمادها استفاده می کردند که این ویژگی یکی از مزیت های آن محسوب می شد، زیرا موجب افزایش دقت پردازش اطلاعات می گردید.

این ها کامپیوترهای نسل اولی بودند که برای برنامه نویسی به مدار منطقی لوله خلاء تکیه می کردند. این کامپیوترها در اتاق هایی بزرگ تر از یک خانه معمولی قرار داشتند و مرتبا خراب می شدند. این کامپیوترها در دهه ۱۹۵۰ در اوج خود بودند، اما توسط ترانزیستورها جایگزین شدند.

این امر به جلب توجه اکثریت جامعه کمک می کرد، زیرا ترانزیستورها بسیار سریع تر، کوچک تر و قابل اطمینان تر بودند. برای مقایسه، اندازه ی یک بیت در لوله خلاء نزدیک به اندازه انگشت شست بود، در حالی که یک بیت در ترانزیستورها اندازه یک ناخن انگشت بود.

جهش بعدی در هنگام جایگزینی ترانزیستورها با مدارهای مجتمع در دهه ۱۹۶۰ رخ داد. این نشان دهنده ظهور نسل سوم محاسبات است و از طریق استفاده از ترانزیستورهای ریز MOS (ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلزی) که به آن MOSFET نیز گفته می شود، حاصل شد.

اندازه بزرگ ترانزیستور به مدارهای الکترونیکی روی یک تکه ماده صاف، تقلیل یافت. این امر قدرت پردازش را بهبود بخشید و همزمان باعث کاهش اندازه کامپیوتر شد. یک مدار مجتمع می تواند هزاران بیت را در یک فضای به اندازه یک دست جا دهد.

این توسعه موجب افزایش نمایی قدرت محاسبات به گونه ای که امروزه وجود دارد، شد.

قانون مور و ظهور کامپیوترهای شخصی

با گذر زمان اندازه ترانزیستورها کوچک تر و کوچک تر می شدند، و با هر بار تکرار، قدرت محاسباتی بیشتری را در همان مقدار فضا جمع می کرد. ترانزیستورهای مورد استفاده امروزه فقط ۷ نانومتر طول دارند.

گوردون ایی مور، بنیانگذار اینتل، در ۱۹ آوریل ۱۹۶۵ مقاله ای را در مجله الکترونیک منتشر کرد. او در این مقاله قانونی که امروزه بسیار مشهور است را تشریح کرد. او به تأثیر باورنکردنی کوچک سازی فناوری اشاره کرد و تخمین زد که ۱۸ ماه طول می کشد تا کامپیوترها قدرت پردازش را دو برابر کنند. کامپیوترهای امروزی میلیون ها برابر سریع تر از کامپیوترهایی هستند که نیم قرن پیش از آن ها استفاده می شد.

بر اساس این قانون در هر ۱۸ ماه هزینه تهیه کامپیوتری با قدرت پردازشی مشابه به صورت نمایی کاهش می یابد. بنابراین، تراشه ای که در سال ۱۹۷۰، ۲۰۰۰ ترانزیستور را با هزینه ۱۰۰۰ دلار جمع می کرد، این مقدار در سال ۱۹۷۲، ۵۰۰ دلار، در ۱۹۷۴، ۲۵۰ دلار و در سال ۱۹۹۰ حدود ۰.۹۷ دلار هزینه داشت.

هزینه این تراشه امروز فقط ۰.۰۲ دلار خواهد بود، که به وضوح قدرت رشد نمایی را نشان می دهد. این همان چیزی است که باعث می شود کامپیوترها به یک پدیده خانگی تبدیل شوند و از میزهای ما گرفته تا درون کیف ها و جیب ها جای بگیرند.

نتیجه گیری

کوچک شدن لوله های خلاء حجیم و به دنبال آن ترانزیستورهایی که دائما در حال کوچک شدن هستند، باعث کاهش چشمگیر اندازه کامپیوترها شده است. همراه با پیشرفت های موجود در فناوری ذخیره سازی، منبع تغذیه بهتر و روش های خنک کننده، این بهبود سریع، کامپیوترهای شخصی قدرتمندی را که امروزه می بینیم، در اختیار ما قرار داده است.

قانون مور از نظر پیش بینی اندازه و قدرت محاسبات کامپیوترهای مدرن در نیم قرن گذشته بسیار شگفت آور عمل کرده است، اما این پیش بینی در ارتباط با اندازه، یک محدودیت فیزیکی دارد، زیرا ترانزیستورها دیگر نمی توانند از این اندازه کوچک تر شوند.

با این حال، ادامه این پیشرفت می تواند با راه های مبتکرانه دیگری مانند استفاده از مواد بهتر نسبت به سیلیکون یا ساخت مدارهای سه بعدی حاصل شود. هنگامی که رمز و راز کامپیوتر کوانتومی را شکستیم، این جهش بزرگ در محاسبات می تواند قدرت بی سابقه ای را آزاد کند. در هر صورت، دیدن پیشرفت های آینده در سخت افزار کامپیوتر و دگرگونی در نحوه زندگی و ارتباط با یکدیگر، جالب خواهد بود.

منبع: پیتونیک