Преди ерата на електрониката най-близкото нещо до компютъра беше абакусът, въпреки че, строго погледнато, абакусът всъщност е калкулатор, тъй като изисква човешки оператор. Компютрите, от друга страна, извършват изчисления автоматично, като следват серия от вградени команди, наречени софтуер.
През 20-тетата век, проривите в технологиите позволиха на непрекъснато развиващите се изчислителни машини, от които сега ние толкова много зависим, на практика никога не им даваме втора мисъл. Но дори преди появата на микропроцесори и суперкомпютри, имаше някои забележителни учени и изобретатели, които помогнаха да положат основите на технологията, която оттогава драстично преобразува всички аспекти на съвременния живот.
Езикът преди хардуера
Универсалният език, на който компютрите изпълняват инструкции на процесора, възниква през 17-ти век под формата на двоична числова система. Разработен от немски философ и математик Готфрид Вилхелм Лайбниц, системата се появи като начин за представяне на десетични числа, като се използват само две цифри: числото нула и числото едно. Системата на Лайбниц беше частично вдъхновена от философски обяснения в класическия китайски текст „Аз Чинг “, което обяснява Вселената по отношение на дуалности като светлина и тъмнина и мъж и женски пол. Макар че по онова време няма практическа употреба за неговата ново кодифицирана система, Лайбниц смята, че е възможно машина някой ден да използва тези дълги низове от двоични числа.
През 1847 г. английският математик Джордж Бул представи новосъздаден алгебричен език изграден върху работата на Лейбниц. Неговата „Булева алгебра“ всъщност е система от логика, с математически уравнения, използвани за представяне на изявления в логиката. Също толкова важно беше, че той използва бинарен подход, при който връзката между различни математически величини ще бъде или вярна, или невярна, 0 или 1.
Както и при Лайбниц, по онова време нямаше очевидни приложения за алгебрата на Бул, математикът Чарлз Сандърс Пиърс прекара десетилетия в разширяване на системата и през 1886 г. определи, че изчисленията могат да се извършват с електрическо превключване схеми. В резултат на това булевата логика в крайна сметка ще стане основна роля при проектирането на електронни компютри.
Най-ранните процесори
Английски математик Чарлз Бебидж се кредитира, че е сглобил първите механични компютри - поне технически погледнато. Машините му от началото на 19-ти век предлагаха начин за въвеждане на числа, памет и процесор, заедно с начин за извеждане на резултатите. Беббъдж нарече първоначалния си опит да изгради първата в света компютърна машина „двигателят на разликите“. Дизайнът изискваше машина, която изчислява стойностите и отпечатва резултатите автоматично на a таблица. Трябваше да бъде ръчно криволичещо и щеше да тежи четири тона. Но бебето на Бабидж беше скъпо начинание. Повече от 17 000 паунда стерлинги бяха изразходвани за ранното развитие на двигателя. Проектът в крайна сметка бе бракуван, след като британското правителство прекъсна финансирането на Беббъс през 1842 година.
Това наложи Бабидж да преминем към друга идея, „аналитичен двигател“, който беше по-амбициозен по обхват от предшественика си и трябваше да се използва за изчисления с общо предназначение, а не само за аритметика. Въпреки че той никога не успя да проследи и изгради работещо устройство, дизайнът на Babbage се характеризира по същество със същата логическа структура като електронните компютри, които ще влязат в употреба през 20-те годинитата век. Аналитичният двигател има интегрирана памет - форма за съхранение на информация, открита във всички компютри - която позволява разклоняване или възможност за компютър да изпълнете набор от инструкции, които се отклоняват от реда на последователността по подразбиране, както и бримки, които са последователности от инструкции, изпълнявани многократно в наследяване.
Въпреки неуспехите си да създаде напълно функционална изчислителна машина, Babbage остана непоклатимо непроменен в преследването на своите идеи. Между 1847 и 1849 г. той изготвя проекти за нова и подобрена втора версия на различния си двигател. Този път той изчисли десетични числа до 30 цифри, извърши изчисленията по-бързо и беше опростен, за да изисква по-малко части. Все пак британското правителство не смята, че си струва да инвестира. В крайна сметка най-прогресираният Babbage, правен някога на прототип, завършваше една седма от първия му дизайн.
По време на тази ранна ера на компютрите имаше няколко забележителни постижения: The машина за прогнозиране на приливите и отливите, изобретен от шотландско-ирландския математик, физик и инженер сър Уилям Томсън през 1872 г., се смята за първият модерен аналогов компютър. Четири години по-късно по-големият му брат Джеймс Томсън излезе с концепция за компютър, който решава математически задачи, известни като диференциални уравнения. Той нарече устройството си „интегрираща машина“ и в следващите години то ще послужи като основа за системи, известни като диференциални анализатори. През 1927 г. американският учен Ваневар Буш започва разработката на първата машина, наречена като такава и публикува описание на новото си изобретение в научно списание през 1931 г.
Зората на съвременните компютри
До началото на 20тата век, еволюцията на изчислителната техника е била малко повече от това, което учените опровергават при проектирането на машини, способни ефективно да извършват различни видове изчисления за различни цели. Едва през 1936 г. накрая беше представена единна теория за това какво представлява „компютър с общо предназначение“ и как трябва да функционира. През същата година английският математик Алън Тюринг публикува документ, озаглавен „On Computable Numbers, with Application to the Entscheidungsproblem“, който описа как теоретично устройство, наречено „машина на Тюринг“, може да се използва за извършване на всякакви мислими математически изчисления чрез изпълнение инструкции. На теория машината ще има неограничена памет, да чете данни, да записва резултати и да съхранява програма от инструкции.
Докато компютърът на Тюринг беше абстрактна концепция, той беше на име немски инженер Конрад Зузе кой ще продължи да изгражда първия в света програмируем компютър. Първият му опит да разработи електронен компютър, Z1, беше двоичен калкулатор, който четеше инструкции от перфорирания 35-милиметров филм. Технологията обаче беше ненадеждна, така че той я последва със Z2, подобно устройство, което използва електромеханични релейни вериги. Докато подобрение беше, че при сглобяването на третия му модел всичко се събра за Zuse. Разкрита през 1941 г., Z3 е по-бърз, по-надежден и по-добре да изпълнява сложни изчисления. Най-голямата разлика в това трето въплъщение беше, че инструкциите се съхраняват на външна лента, като по този начин тя позволява да функционира като напълно работеща програма, контролирана от програмата.
Това, което може би е най-забележителното е, че Зузе свърши голяма част от работата си изолирано. Не беше наясно, че Z3 е "Turing пълен", или с други думи, способен да реши всеки изчислим математически проблем - поне на теория. Нито той е имал познания за подобни проекти, които са били в ход по същото време в други части на света.
Сред най-известните от тях е финансираният от IBM Harvard Mark I, който дебютира през 1944 г. Още по-обещаваща обаче беше разработването на електронни системи като изчислителния прототип на Colossus от Великобритания от 1943 г. и ENIAC, първият изцяло работещ електронен компютър с общо предназначение, който е пуснат в експлоатация в Университета в Пенсилвания през 1946 г.
От проекта ENIAC дойде следващият голям скок в компютърните технологии. Джон Вон Нойман, унгарски математик, който се консултира по проекта ENIAC, ще положи основите на съхранен програмен компютър. До този момент компютрите работеха по фиксирани програми и променят своята функция - например от извършване на изчисления до текстообработка. Това изискваше отнемащия време процес на необходимост ръчно да се пренастроят и преструктурират. (Отне няколко дни, за да се препрограмира ENIAC.) Тюринг предложи, че в идеалния случай наличието на програма, съхранявана в паметта, ще позволи на компютъра да се променя с много по-бързи темпове. Фон Нойман е заинтригуван от концепцията и през 1945 г. изготвя доклад, който предоставя подробно възможна архитектура за съхранени програмни изчисления.
Публикуваният му документ ще бъде широко разпространен сред конкуриращи се екипи от изследователи, работещи върху различни компютърни дизайни. През 1948 г. група в Англия представи Манчестърската експериментална машина с малък мащаб, първият компютър, който пуска запаметена програма, базирана на архитектурата на Фон Нойман. Манипулиран Манчестър е експериментален компютър, който служи като предшественик на Манчестър Марк I. EDVAC, компютърният дизайн, за който първоначално е бил предназначен докладът на Фон Нойман, е завършен до 1949 г.
Преход към транзистори
Първите модерни компютри не бяха нищо като търговските продукти, използвани от потребителите днес. Те бяха сложни призрачни измишльотини, които често заемат пространството на цяла стая. Те също изсмукваха огромни количества енергия и бяха известни бъги. И тъй като тези ранни компютри работеха по обемни вакуумни тръби, учените с надеждата да подобрят скоростта на обработка ще трябва или да намерят по-големи помещения - или да намерят алтернатива.
За щастие, този толкова необходим пробив вече беше в работата. През 1947 г. група учени от Bell Telephone Laboratories разработиха нова технология, наречена транзистори с точков контакт. Подобно на вакуумните тръби, транзисторите усилват електрическия ток и могат да се използват като превключватели. По-важното е, че те бяха много по-малки (за размера на капсула аспирин), по-надеждни и като цяло използваха много по-малко мощност. Съ-изобретателите Джон Бардийн, Уолтър Братайн и Уилям Шокли в крайна сметка биха получили Нобелова награда по физика през 1956 г.
Докато Bardeen и Brattain продължиха да извършват изследователска работа, Shockley премина към по-нататъшно развитие и комерсиализация на транзисторната технология. Един от първите наети в новосъздадената му компания беше електроинженерът на име Робърт Нойс, който в крайна сметка се раздели и създаде своя собствена фирма, Fairchild Semiconductor, подразделение на Fairchild Camera и Инструмент. По онова време Нойс обмисляше начини за безпроблемно комбиниране на транзистора и други компоненти в една интегрална схема, за да елиминира процеса, в който те трябваше да бъдат съединени на ръка. Мислейки по подобни линии, Джак Килби, инженер в Texas Instruments, в крайна сметка първо подаде патент. Замисълът на Нойс обаче ще бъде широко приет.
Там, където интегралните схеми имаха най-значително въздействие, беше да проправят път към новата ера на личните изчислители. С течение на времето тя отвори възможността да се изпълняват процеси, задвижвани от милиони схеми - всички на микрочип с размер на пощенска марка. По същество, това е, което даде възможност на вездесъщите джаджи, които използваме всеки ден, по ирония на съдбата са много по-мощни от най-ранните компютри, които заеха цели стаи.