Di antara teknologi paling penting dalam sejarah manusia, komputer mungkin merupakan penemuan terbaru. Namun, kebutuhan akan perhitungan sudah ada sejak zaman kuno. Peradaban pertanian pertama di Mesopotamia sudah dihadapkan dengan jumlah dan data yang begitu banyak, yang terlalu sulit untuk disimpan dan dihitung dalam pikiran. Kemudian prototipe pertama komputer muncul - sempoa.
Katakanlah mesin penjumlahan, yang dibuat oleh Pascal pada abad ke-17, sebenarnya adalah akun mekanis. Roda gigi dengan rasio roda gigi yang sama 1:10, membuat sejumlah putaran tertentu, memungkinkan untuk menambahkan angka dengan lima hingga delapan tempat desimal. Beberapa saat kemudian, mekanisme Leibniz muncul, mampu melakukan keempat operasi aritmatika dasar.
Itu diatur lebih kompleks: pelepasan yang sesuai diwakili oleh silinder melangkah, yang masing-masing, setelah menyelesaikan sepuluh putaran, kembali ke posisi semula dan mentransfer satu putaran ke silinder berikutnya - ini adalah cara kerja odometer di mobil modern. Gerakan yang sama dalam urutan terbalik memungkinkan pengurangan, dan mekanisme tambahan yang mengotomatiskan penambahan dan pengurangan berganda memberikan perkalian dan pembagian.
Leibniz sendiri mengatakan bahwa penghitungan sederhana "tidak sebanding dengan perhatian dan waktu orang yang layak, karena setiap petani dapat melakukan pekerjaan yang sama dengan presisi yang sama jika dia menggunakan mesin." Namun, penggunaan kata "komputer" pertama yang didokumentasikan (Richard Braithwaite, 1613) tidak berarti mesin, tetapi profesi. Pada tahun-tahun itu, "komputer" nyata adalah orang-orang yang benar-benar berpengalaman dalam aritmatika - dan situasi ini bertahan hingga pertengahan abad ke-19, ketika mereka mulai secara bertahap digantikan oleh mekanisme. Sejak tahun 1890-an, kata "komputer" telah dimasukkan dalam Oxford English Dictionary - sudah sebagai perangkat mekanis.
Namun, hampir semua mesin tambahan pada waktu itu hanya versi mesin Leibniz yang lebih canggih, lebih murah, dan lebih andal: mereka tidak memungkinkan mereka untuk sepenuhnya menghilangkan tenaga kerja manual saat menghitung. Sebagian besar tugas-tugas praktis - baik itu menghitung penerbangan balistik proyektil atau mendukung jembatan kereta api - membutuhkan memasukkan, memproses dan membaca puluhan, ratusan, dan ribuan angka. Komputasi membutuhkan banyak upaya dan sumber daya, dan untuk benar-benar membebaskan "orang-orang yang layak" dari pekerjaan "penghitung" yang memalukan, diperlukan mesin yang mampu melakukan perhitungan apa pun dan memiliki perangkat memori, input, dan output.
Charles Babbage adalah orang pertama yang memikirkan mekanisme universal seperti itu, yang pada tahun 1820-1840 mengerjakan mesin perbedaan untuk menguraikan fungsi menjadi polinomial. Sistem yang paling kompleks dari puluhan ribu bagian tidak pernah sepenuhnya dibangun olehnya, dan hanya pada peringatan 200 tahun kelahiran Babbage di Inggris Raya mereka merakit keduanya (membuktikan kebenaran perhitungan insinyur) dan printer primitif yang ia rancang.
Ide mesin universal Babbage - meskipun tidak layak dengan teknologi saat ini - membuat kesan besar di benak. Sudah di pertengahan abad ke-19, Countess Ada Lovelace menggambarkan pengoperasian mekanisme seperti itu, memperkenalkan konsep algoritma, loop, dan menjadi programmer pertama komputer yang belum ada. Namun, tidak ada waktu lama untuk menunggu.
Elektromekanis
Menjelang akhir abad ke-19 yang sama, pemerintah AS dihadapkan pada pertumbuhan penduduk yang cepat - terutama karena masuknya migran dari Eropa. Undang-undang negara menetapkan sensus penduduk setiap 10 tahun, tetapi sudah pada tahun 1880 begitu banyak kuesioner dikumpulkan sehingga pemrosesan manual mereka memakan waktu tujuh tahun. Ahli statistik yang cermat menghitung bahwa sensus pada tahun 1890 akan memakan waktu lebih dari 10 tahun - volumenya tumbuh seperti bola salju. Untuk pemrosesan mereka, insinyur Herman Hollerith menciptakan mesin tabulasi yang menggunakan kartu berlubang. Lubang-lubang yang sesuai dengan tanggapan dalam kuesioner memungkinkan kabel fleksibel tipis melewati kartu punch dan terhubung di bagian bawah ke sel konduktif, elektroda merkuri cair. Menutup kontak menyebabkan motor kecil memutar roda yang sesuai satu putaran, menguncinya pada posisinya.
Dengan menghubungkan elektroda ke sirkuit, dimungkinkan untuk melakukan perhitungan penjumlahan dan kombinatorial: misalnya, ketika menghitung jumlah total pria yang sudah menikah. Itu adalah langkah maju yang besar - bukan lagi komputer mekanis, tetapi komputer elektromekanis. Tabulator Hollerith memungkinkan untuk memproses data dengan urutan besarnya lebih cepat - bahkan pemerintah Tsar Rusia membelinya, di mana mereka digunakan untuk sensus tahun 1897. Dibuat oleh seorang insinyur, perusahaan Computing-Tabulating-Recording (CTR) mengembangkan dan memproduksi tabulator yang semakin kompleks, dan sejak tahun 1924 telah dikenal dengan nama baru yang sekarang dikenal - International Business Machines, atau hanya IBM.
Produk perusahaan sangat sukses, tetapi kemampuan mereka dengan cepat menjadi langka. Industrialisasi dan Perang Dunia Pertama, perkembangan pesat pabrik dan kota, ilmu pengetahuan dan transportasi menuntut produktivitas yang lebih dan lebih. Sistem elektromekanis tumbuh dan menjadi lebih kompleks: mesin Mark I, yang dibangun oleh IBM yang sama pada tahun 1941, atas perintah Angkatan Laut Amerika menempati seluruh bangunan dan sangat sulit untuk dikelola dan dioperasikan.
Dia menggunakan lusinan pita berlubang dan jutaan opsi koneksi, tetapi inovasi utama adalah pengenalan relai elektromekanis. Perangkat ini dapat disebut sakelar yang menunda atau melewatkan arus (memutar roda penghitung yang sama), tergantung pada apakah ada arus di loop kontrol kedua. Saatnya menggunakan logika.
Listrik
Dengan menggabungkan sakelar tersebut, gerbang logika dapat diperoleh untuk melakukan perhitungan. Katakanlah kita perlu menambahkan lima dan enam. Dalam sistem biner, ini berarti menjumlahkan 0101 dan 0110, sedikit demi sedikit, menurut aturan: 0 + 1 = 1 + 0 = 1,0 + 0 = 0, 1 + 1 = 10. Kita hanya membutuhkan dua gerbang logika: yang pertama akan memasok arus (1) jika salah satu register yang akan ditambahkan berisi 1 dan dalam kasus kami akan memberikan 0011; yang kedua hanya akan bekerja pada 1 dan 1 - dalam kasus kami ini sesuai dengan 1000. Operasi simultan dari dua sirkuit akan menghasilkan 1011 - atau 11 dalam sistem desimal.
Dari sudut pandang sehari-hari, ini sangat tidak nyaman, tetapi untuk komputer - apa yang Anda butuhkan. Kartu berlubang, pita magnetik, atau sel memori dapat bertindak sebagai pembawa nol dan satu, dan "saklar" dapat bertindak sebagai elemen logis. Pada saat kami berhenti, mereka telah berevolusi menjadi sepenuhnya listrik.
Memang, semua 3.500 relai mekanis Mark I memerlukan pengalihan fisik, menyebabkan rangkaian menutup dan membuka kembali. Akibatnya, mereka hanya memiliki persediaan daya tahan yang terbatas dan memerlukan penggantian setelah sekitar 50.000 sakelar. Ini juga mengurangi kecepatan mereka: mesin hanya dapat melakukan tiga operasi penambahan atau pengurangan per detik. Akhirnya, solusi mekanis sangat tidak dapat diandalkan: serangga biasa yang menyelinap ke dalam sistem mengancam akan mengganggu pekerjaannya - yang terjadi sesekali, memunculkan kata modern "bug". Tidak mengherankan, para insinyur segera mengalihkan perhatian mereka ke cara lain untuk mendapatkan sakelar yang dapat dikontrol - dioda tabung vakum, yang mengubah sistem elektromekanis menjadi sistem yang sepenuhnya listrik.
Perangkat semacam itu dibuat kembali pada tahun 1900-an: lampu vakum berisi elektroda, salah satunya, memanas ketika arus diterapkan, mulai memancarkan elektron, yang bergegas ke elektroda yang bermuatan berlawanan. Namun, elektroda ketiga yang dipasang di antara mereka dapat mengontrol aliran ini. Jika tegangan negatif diterapkan padanya, itu menghalangi pergerakan elektron, dan jika positif, itu memfasilitasinya.
Dioda lampu jauh lebih andal dan lebih cepat daripada relai mekanis; mereka dapat beralih ratusan dan ribuan kali per detik dan bertahan lebih lama. Mereka banyak digunakan dalam penguat suara: arus lemah di sirkuit kontrol menutup sirkuit kerja yang lebih kuat, sehingga memperkuat sinyal. Tetapi jika penguat rumah tangga membutuhkan satu lampu, komputer membutuhkan ratusan - rapuh, mahal, membutuhkan penggantian rutin, dan boros energi.
Pada saat yang sama, komputer tabung pertama - seperti Colossus, yang memecahkan sandi pesan radio Wehrmacht selama Perang Dunia Kedua - dengan cepat melewati batas ribuan dioda. Untuk melakukan setiap perhitungan tertentu, perlu memprogram ulang sistem sepenuhnya, menggabungkan gerbang logika dari tabung elektronik dengan cara baru.
Proses ini hanya diotomatisasi oleh pencipta mesin berikutnya - ENIAC, selesai pada tahun 1945 dan digunakan untuk mengembangkan senjata termonuklir. Itu adalah komputer pertama yang benar-benar dapat diprogram yang mampu melakukan hingga 500 ribu operasi per detik. Namun demikian, menjadi jelas bahwa mekanisme yang berbeda secara mendasar untuk membuat sakelar-relai diperlukan: waktu transistor semakin dekat.
Elektronik
Kelebihan menciptakan transistor semikonduktor milik William Shockley dan rekan-rekannya di Bell Laboratories. Sebenarnya, ini adalah sakelar yang sama, turunan jauh dari sistem mekanis dan lampu, tetapi beroperasi pada tingkat yang lebih kecil.
Untuk memahami cara kerjanya, kita harus turun lagi ke skala atom. Silikon - salah satu elemen utama di kerak bumi - membentuk kisi kristal dengan sifat semikonduktor. Dalam bentuknya yang murni, keempat elektron yang berada di kulit terluar atom silikon dipisahkan antara lokasi kisi yang berdekatan.
Mereka stabil dan tidak dapat bergerak, sehingga kristal silikon yang sempurna tidak menghantarkan arus. Namun, pengenalan sejumlah kecil aditif (doping) dari unsur-unsur dengan jumlah elektron eksternal yang berbeda (misalnya, boron) menciptakan pembawa muatan bebas di kisi - atau kekosongan (lubang) - yang cenderung mereka tempati. Kami akan mendapatkan bahan dengan konduktivitas elektronik (N-) atau lubang (P-).
Miniatur
Sekarang bayangkan bahwa dengan doping yang hati-hati, kita telah mengubah sepotong kecil silikon murni menjadi semikonduktor-N dengan strip konduksi-P tipis yang membaginya menjadi dua. Kelebihan elektron dari daerah N akan menempati lubang terdekat di daerah P, menciptakan daerah dengan muatan negatif berlebih. Ini akan mencegah pergerakan elektron lebih lanjut, menghalangi aliran arus, seperti elektroda kontrol ketiga dalam tabung vakum. Tetapi jika muatan positif diterapkan ke daerah-P, itu akan menghilangkan kelebihan elektron, memungkinkan arus bergerak.
Kami mendapatkan sakelar yang sama, tetapi sangat ringkas dan cepat, hemat energi, dan sepenuhnya bebas aus. Dengan menggabungkan transistor NPN atau PNP silikon, Anda dapat membangun sirkuit logika apa pun untuk perhitungan ultra-cepat, menempatkan miliaran transistor dan kontak di antara mereka dalam volume kecil. Yang tersisa hanyalah memproduksinya.
Teknologi modern untuk produksi sirkuit mikro semikonduktor lebih akurat daripada perhiasan dan membutuhkan lebih dari sekadar kebersihan bedah. Suhu, yang pada beberapa tahap dibawa ke 1500 ° C, dikendalikan hingga sepersepuluh derajat, dan partikel debu di udara tempat industri besar tidak boleh lebih dari lima per liter volume. Ini adalah satu-satunya cara untuk mencapai akurasi yang memadai dan menempatkan lebih banyak transistor pada sirkuit mikro - dari 2300 pada mikroprosesor Intel 4004 yang revolusioner pada tahun 1971, hingga 3,1 juta transistor pada Intel Pentium 1993 dan ratusan juta di masing-masing dari sepuluh inti prosesor Xeon modern.
Kemurnian tinggi juga diperlukan dari sumber daya produksi utama - pasir kuarsa, yang dikalsinasi dengan adanya magnesium untuk pemurnian tambahan dan penghilangan oksigen. Silikon yang dihasilkan dicairkan dan benih dibenamkan di dalamnya - kristal kecil, yang perlahan-lahan ditarik keluar, menumbuhkan semua lapisan atom baru sampai kristal tunggal dengan ukuran yang cukup diperoleh. Memotongnya, mereka menjadi tipis - kurang dari satu milimeter - pelat semikonduktor murni, yang, setelah penggilingan dan pemrosesan tambahan, berubah menjadi kosong untuk "memotong" seluruh sistem transistor dan koneksi - sirkuit mikro dari prosesor masa depan.
Untuk ini, silikon (semikonduktor) dilapisi dengan lapisan silikon oksida (isolator) dan bahan photoresist. Di bawah aksi sinar ultraviolet, itu mengeras, dan di area lain kemudian dicuci, memungkinkan Anda untuk menghilangkan lapisan oksida isolasi. Prosesnya mirip dengan teknologi litografi abad pertengahan, di mana cat hanya diawetkan dalam alur yang tergores di pelat logam, membentuk pola siap pakai untuk dicetak. Ini disebut fotolitografi, meskipun "alur" di sini sudah merupakan gambar nanometer dari sirkuit mikro terbaik.
Dalam hal ini, stensil yang sudah disiapkan sebelumnya digunakan yang mentransmisikan sinar ultraviolet di beberapa area dan menunda di tempat lain. Demikian pula, lapisan lain diterapkan yang mengandung boron atau kotoran lainnya untuk membentuk sambungan NPN, tembaga atau logam lain untuk kontak di masa mendatang.
Dimensi stensil jauh lebih besar daripada prosesor masa depan, sehingga "berkas" radiasi setelahnya difokuskan pada area kecil menggunakan lensa khusus. Sudah pada 1980-an, akurasi sistem semacam itu dibawa ke mikrometer, dan teknologi modern memungkinkan untuk "mengurangi" gambar stensil ketika ditransfer ke kristal silikon dengan banyak urutan besarnya - hingga 10 nanometer.
Kemajuannya mengesankan dan masih sepenuhnya konsisten dengan aturan yang disetujui oleh Gordon Moore, salah satu pemimpin IBM, pada awal elektronik silikon: setiap 18 bulan, kinerja sirkuit mikro berlipat ganda. Bidang teknologi lain telah lama dan tidak berhasil membuat iri perkembangan ini (bayangkan jika kecepatan transportasi tumbuh pada kecepatan yang sama!), Namun, itu mungkin akan segera berakhir.
Masa depan
Memang, kurang terkenal adalah pengamatan Moore lainnya bahwa biaya setiap langkah berikutnya dalam miniaturisasi chip silikon tumbuh pada tingkat yang hampir sama dengan kinerja mereka. Dalam beberapa tahun terakhir, ini telah menyebabkan beberapa kelambatan di sirkuit dari tingkat pengembangan yang biasa, dan para insinyur telah mendekati batas minimum. Transistor - hanya berukuran ratusan atau bahkan puluhan atom - sudah memanifestasikan dirinya sebagai sistem kuantum. Mereka memiliki efek acak yang mendistorsi keakuratan perhitungan - dan percepatan superkomputer semakin tidak bergantung pada kekuatan sirkuit mikro individu, tetapi pada sejumlah besar elemen yang bekerja sama.
Namun, bahkan penurunan transistor silikon tidak berarti bahwa kita telah mencapai batas kinerja komputer seperti itu. Beberapa ahli melihat janji besar untuk komputasi DNA, menggabungkan nukleotida berpasangan dalam rantai asam nukleat: secara teori, mereka menjanjikan kinerja yang sangat tinggi dalam memecahkan banyak masalah yang memerlukan komputasi paralel. Bahkan ada lebih banyak harapan untuk komputer kuantum, yang dapat mengandalkan efek yang sangat acak dan aneh dari mekanika kuantum yang dialami oleh chip silikon yang sangat kecil. Yang pertama sudah mulai bekerja - namun, mereka layak mendapat cerita terpisah.