En populärvetenskaplig artikel av Anders Hägglund
Denna artikel är en inlämningsuppgift i kursen 2E1111 vid KTH i Stockholm.
Innehåll
Introduktion
Före datorn
Det börjar
Den kommersiella datorn
Transistoriseringen
Integrerade kretsar
Mikroprocessorn
Litteraturlista
Brev till Anders!
Introduktion
Till att börja med är det lämpligt att definiera vad man menar med dator. Detta är inte fullt så lätt som man kanske tror eftersom många av de koncept vi idag förknippar med datorer fanns i maskiner som knappast kan ses som datorer och många av de maskiner som vi idag kallar tidiga datorer saknade vissa för oss grundläggande detaljer. I mitt synsätt är en dator en generell elektronisk maskin som utför ett arbete efter ett uppgjort program. Detta utesluter en stor del av de tidiga beräkningsmaskiner som konstruerades under 1930 och 1940 talen och som av vissa ses som tidiga datorer. Dock bör man vara medveten om att datorer på intet sätt 'uppfanns' i och med den första datorn enligt min specifikation utan att det snarare var frågan om en kontinuerlig process som slutligen ledde fram till vad jag anser bör kallas en dator. Därför anser jag det befogat att redogöra kort även för dessa maskiner.
Vidare bör man notera att datorernas tekniska utveckling i många fall har varit allt annat än linjär. Snarare kan utvecklingen ses som en serie projekt som i viss mån överlappat varandra i tiden i viss mån lånande och förbättrande idéer av varandra. Detta
är jämförbart med olika bilmodeller från flera biltillverkare. Varje ny bilmodell från ett specifikt företag innebär en distinkt förbättring jämfört med sin föregångare, men jämfört med en modell från ett annat företag är det inte lika lätt att avgöra vad som är nyast eller vem som var först med en ny idé. Ett sådant förlopp är naturligtvis mer komplicerat än en enkel följd av föregångare-efterföljare men det är omöjligt att bortse ifrån då en 'uträtning' av utvecklingen oundvikligen skulle leda till grova sakfel. Jag har valt att istället försöka rikta in mig på de viktigaste detaljerna i utvecklingen.
Tillbaka till början
Före datorn
Idén till en dator, så som vi ser den, lanserades för första gången av Charles Babbage på 1830 talet. Han avsåg bygga en generell mekanisk maskin för att lösa matematiska problem, the difference engine. Denna blev dock aldrig klar på grund av stora tekniska svårigheter - beräkningar har visat att om Babbages maskin hade byggts klar skulle den ha blivit stor som en fotbollsplan. Även om Babbage introducerade många av de viktigaste koncepten för datorer så hade han inte så stor inverkan på den egentliga datorutvecklingen då hans idéer sågs av sin samtid som smått galna och därför inte var kända för de som konstruerade de första datorerna drygt hundra år senare.
Det som ledde fram till datorn var istället de specialiserade elektriska räknemaskiner uppbyggda av radiorör som konstruerades under 1930 talets slut. Datorerna användes för att lösa något specifikt matematiskt problem men använde sig av många av de detaljer som datorer är uppbyggda av. Den som antagligen hade mest inverkan på den första datorn var en elektronisk maskin som konstruerats av John Atanasoff och Clifford Berry vid Iowa State Collage i USA. Maskinen, som skulle användas för att lösa vissa fysikaliska problem, stod färdig 1941. John Mauchly, senare en av Eniacs skapare, var mycket intresserad av maskinen och tros ha använt en stor del av Atanasoff och Berrys idéer i Eniacs konstruktion.
Tillbaka till början
Det börjar
John Mauchly och J. Presper Eckert var i början av andra världskriget
aktiva vid University of Pennsylvania i USA. De hade vissa idéer kring hur en generell dator skulle kunna konstrueras men visste inte hur de skulle kunna realisera sitt projekt. Ironiskt nog kom kriget att spela dem i händerna. Militären hade nämligen stora problem med att skapa de projektiltabeller som artilleriet behövde för att rikta in sina kanoner. Tabellerna gjordes för hand av en stor mängd matematikutbildade kvinnor med mekaniska räknemaskiner. Detta var problematiskt nog med tanke på att det ständigt kom ut nya pjäser som krävde nya tabeller, men när de allierade landsteg i Nordafrika 1943 blev läget ohållbart. Det blev nämligen uppenbart att den annorlunda terrängen gjorde att samtliga tabeller fick räknas om!
Militären blev desperat att hitta ett snabbare sätt att beräkna tabellerna. Detta gjorde att ett projekt som annars skulle setts som alltför dyrt och komplicerat godkändes - maskinen kallades "Electronic Numerical Integrator And Computer" mer känd som Eniac. Mauchly och Eckert kunde nu realisera sina planer.
Eniac stod efter många svårigheter färdig i början av 1946. Den bestod av 18000 radiorör, vägde över 30 ton, tog upp 200m2 golvyta och förbrukade ungefär 130kW. Eftersom Eniac blev färdig först efter krigsslutet användes den aldrig till att beräkna projektiltabeller, militären använde den istället när de konstruerade den första vätebomben. Eniac skiljer sig på många punkter - förutom de uppenbara - från en modern dator. Den kanske viktigaste skillnaden ligger i att Eniac inte hade sitt program i minnet. När program skulle bytas fick man löda om ett antal programmoduler. Detta var mycket omständigt och kunde ta flera dagar.
Eniac hade ej tangentbord eller skärm som en modern dator, istället
användes en kombination av strömbrytare och lampor för att kontrollera datorns funktion. En annan skillnad var att Eniac inte använde tvåbas systemet som moderna datorer, utan istället räknade den med tiobas systemet. Tio-bassystemet hade valts för att spara antalet rör som gick åt, man var dock väl medveten om tvåbas-systemets existens. Det faktum att datorn var uppbyggd av radiorör medförde också att datorn slutade fungera så fort ett rör gick sönder, vilket inte var allt för sällsynt. Jämfört med många av sina efterföljare uppbyggda av rör var dock Eniacs pålitlighet mycket god - få av dem kunde matcha Eniacs rekord på 12 timmars felfritt arbete.
Minnet i Eniac var mycket speciellt. Eftersom det hade blivit väldigt opraktiskt att bygga upp det av individuella radiorör så använde man ett system av akustiska kvicksilverfördröjningsledning-ar. Detta var tankar, cirka två meter långa, fyllda med kvicksilver. Data skickas in i ena änden av tanken i form av ett antal ljudpulser. Efter en viss tid (ungefär två millisekunder) kommer sedan pulserna ut i andra änden av tanken. Genom att skicka in pulserna i början på tanken igen uppnår man en minneseffekt.
Denna lösning hade många nackdelar. Minnets innehåll kunde bara kommas åt i en viss ordning och dessutom var minnet långsamt på grund av fördröjningseffekten. Dessutom var tankarna, om än mindre än motsvarande konstruktion med radiorör, väldigt klumpiga.
Tillbaka till början
Den kommersiella datorn
Den första kommersiella datorn kallades Mark I och levererades av ett engelskt företag vid namn Ferranti. De hade fått i uppdrag av den engelska regeringen att tillverka en kommersiell variant av den dator med samma namn som konstruerats 1948-49 på Manchester University. Den första Mark I hade konstruerats av F.C. Williams, Tom Kilburn och Geoff Tootil, som ett projekt för att testa Williams-Kilburn rörets användbarhet i en praktisk dator.
Willams-Kilburn röret var en ny form av minne vilket uppfunnits av Tom Kilburn och F.C. Williams några år tidigare. Det bestod av ett standard katodstrålerör för radarskärmar, vilket försetts med utrustning som kunde detektera ifall en punkt på röret lyste eller inte. Minneseffekten låg i den korta efterlysning som finns i fosforskiktet i röret - en punkt som tänds av datorn fortsätter att lysa ett litet tag efter det att den tänds. Williams-Kilburn röret hade många fördelar framför de kvicksilvertankar
som Eniac använt. Framförallt så kunde varje bit av minnet kommas åt var för sig i vilken ordning som helst men viktigt var också att minnet var snabbare och dessutom fysiskt sett mycket mindre. Att dess funktion byggde på ett vanligt katodstrålerör hade
också en praktisk bieffekt - genom att koppla in ett likadant rör som det som användes för minnet på datorns kontrollpanel kunde operatören se precis vad som föregick i datorn.
Den kanske största nyheten i Mark I var dock inte minnestekniken, utan det faktum att den hade sitt program i minnet, det vill säga att den kunde programmeras om utan någon fysisk föränd-ring av datorn. En annan mycket viktig detalj var det magnetiska trumminnet som uppfunnits av G.E. Thomas för Mark I. Detta var en slags föregångare till hårddisken som datorn använde för att lagra stora datormängder. Mark I var också den första datorn som försetts med möjligheten att ansluta kringutrustning som tex. skrivare, hålkortsläsare och hålkortsstansare med mera.
Tillbaka till början
Transistoriseringen
En bra representant för den tidiga transistordator eran får IBM:s modell 1401 ses som. Den lansera-des 1960 som IBM:s första transistordator och byggde vidare på den serie av rörbaserade datorer som IBM producerat under 1950 talet. Vid tiden kring 1960 ha
de ett relativt stort antal företag börjat lansera sina egna datorer och
marknaden hade börjat delas upp i två typer, dels kommersiella datorer och dels den tidigare sortens mer vetenskapliga datorer. Datorer inriktade på den kommersiella marknaden var en nyhet från det sena 1950 talet, då fler och fler företag insett nyttan av datorer för att sköta löner, bokföring och lagerhållning. IBM 1401 räknas till de kommersiella datorerna eftersom den räknade, likt Eniac, med tiobas systemet. 1950 och -60 talets
vetenskapliga datorer räknade som dagens datorer med tvåbas systemet eftersom detta utnyttjar datorns resurser bättre än tiobassystemet, dock hade man valt tiobas systemet för de kommersiella datorerna då detta leder till enklare programmering.
IBM 1401 kom också med en annan stor nyhet, nämligen kärnminnet. Detta är minne där varje bit representeras genom magnetisering i en liten ferritkärna. Visserligen behövs det en kärna för varje bit, men kärnminne byggs upp i form av mattor där varje bit nås av en specifik rad/kolumn kombination. Detta ledde till att minnet kunde packas mycket tätare än tidigare minnestekniker och dessutom var minnet otroligt mycket snabbare än alla tidigare varianter.
Transistoriseringen ledde till att datorerna dels blev otroligt mycket mindre och pålitligare än det tidigare konstruktionerna med radiorör men kanske ännu viktigare var att de blev billigare. Det var ej längre förbehållet de multinationella jätteföretagen att ha en dator utan även medelstora företag kunde skaffa eller hyra en egen. Sammantaget gjorde detta IBM 1401 till en mycket populär maskin, över tolv tusen exemplar tillverkades.
Tillbaka till början
Integrerade kretsar
I slutet av femtiotalet hade Robert Noyce vid Fairchild Semiconductor och Jack Kilby vid Texas Instruments oberoende av varandra uppfunnit den integrerade kretsen. Till en början var tekniken för oprövad och dyr för att vara av någon egentlig betydelse för elektronikindustrin, men rymdkapplöpningen ledde på 1960 talet till ett stort behov av miniatyriserad och pålitlig elektronik. Detta var något som den integrerade kretsen passade utmärkt för. De enorma resurser som rymdprogrammet förfogade över ledde till en mycket snabb utveckling av pålitliga och strömsnåla kretsar inom industrin. En handfull transistorer i en dator kunde nu ersättas av en enda integrerad krets och dessutom bli både pålitligare och strömsnålare.
Ett bra exempel på de integrerade kretsarnas datorer är Digital Equipments PDP 15 som lanserades 1969. För första gången var datorn nu så liten att den, komplett med tillbehör rymdes i ett litet skåp. PDP 15 fick stor spridning inom industrin som styrdator, en tillämpning som tidigare varit i princip otänkbar på grund av de tidigare datorernas höga kostnad.
Tillbaka till början
Mikroprocessorn
Utvecklingen av integrerade kretsar har hela tiden gått mot att få in fler och fler komponenter på en liten yta. Efter de integrerade kretsarnas genombrott i slutet på 1960 talet var det egentligen bara en tidsfråga innan den första kompletta processorn kunde byggas på ett chip. Detta gjordes för första gången av det nystartade företaget Intel 1971.
Chippet kallades 4004 och bestod av 2300 transistorer. Kompletterat med
ett minne (vilket nu tillverkades av Intel på ett enda chip på samma sätt som andra integrerade kretsar) så utgjorde 4004 en komplett dator - inte speciellt kraftfull men otroligt mycket mindre än allt som skådats tidigare. De integrerade kretsarnas utveckling slutade naturligtvis inte med 4004 - utvecklingen har fortsatt i exponentiellt ökande tempo. Dagens Pentium III processorer som sitter i våra PC är faktiskt direkta efterföljare till 4004!
Tillbaka till början
Litteraturlista
Bilderna i artikeln är även hämtade från dessa platser
Bowen, Jonathan: The Virtual Museum of Computing [http://www.icom.org/vlmp/computing.html], 1995-1999
Lee, J.A.N.: Computing Machines [http://ei.cs.vt.edu/~history/machines.html], 1998-1999
Lee, J.A.N: The Machine That Changed the World [http://ei.cs.vt.edu/~history/TMTCTW.html], 1995-1998
Napper, Brian: Computer 50 [http://www.computer50.org/index.html], 1998-1999
Napper, Brian: Manchester Mark 1 [http://www.computer50.org/mark1/MM1.html], 1998-1999
Napper, Brian: The Ferranti Mark 1 [http://www.computer50.org/mark1/FM1.html], 1998-1999
Polsson, Ken: Chronology of Events in the History of Microcomputers [http://www.islandnet.com/~kpolsson/comphist.htm], 1999
Winegrad, Dilys & Akera, Atushi: A Short History of the Second American Revolution [http://www.upenn.edu/almanac/v42/n18/eniac.html], Jan 1996
Tillbaka till början