Saturday, June 22, 2013

Historia komputerów jakiej nie znałeś

Czy zastanawiałeś się kiedyś nad tym, co właściwie dzieje gdy uruchamiasz swój komputer? Wracasz do domu z pracy bądź szkoły, bierzesz laptopa, wciskasz przycisk "Power" i czekasz, aż załaduje się system. Dziś informatyka kojarzona jest z matematyką, podobno mają ze sobą tak wiele wspólnego. Komputery mają więcej wspólnego z fizyką, a konkretnie z elektroniką. W istocie rzeczy komputery przecież są urządzeniami elektronicznymi. Elektronika powstała na bazie fizyki przy pomocy matematyki, tak samo jak informatyka powstała na bazie elektroniki przy pomocy matematyki. Mniej więcej tak można zdefiniować samą informatykę, ale na pewno informatyka nie powstała dzięki matematyce, taka informatyka mogłaby istnieć tylko na papierze - i istniała. Informatyka to fizyczne wykorzystanie matematycznych reguł przy pomocy elektroniki, równie dobrze mogłaby się nazywać "infortronika". Najlepiej pokazać to na przykładzie historii.

Więc to będzie historia o tym, jak komputery działają, dzięki czemu i komu było możliwe ich zbudowanie. Postaram się również pokazać, w których momentach pomoc matematyki była niezbędna, a w których fizyki. Co ciekawe w tej historii znajdzie się wiele rzeczy na pierwszy rzut oka nie mających nic wspólnego z komputerami, wszak człowiek z małpą też nie ma nic wspólnego.

Ponieważ kompletna historia komputerów jest zbyt dużym zagadnienie, to w tym tekście ograniczyłem się do części informatyki zwanej hardware. Software zostanie tu pominięte, ponieważ to już historia systemów operacyjnych.

Energia

W komputerach jest coś, co sprawia iż ożywają. Co ciekawe to samo ożywia ludzkie ciało, to energia elektryczna. Mózg steruje Twoimi mięśniami za pomocą impulsów elektrycznych, a elektrowstrząsy potrafią przywrócić człowieka do życia.
Jak widać mamy więcej wspólnego z komputerami niż nam się wydaje, wszak budujemy je na swoje podobieństwo. Uczymy je tego co sami potrafimy by korzystać z ich szybkości i nieomylności. Jednak ile jest wart Twój komputer bez energii elektrycznej i właściwie czym ona jest?

Dzięki Einsteinowi wiemy, że każdy kawałem materii posiada ogromne zasoby energii. Problem w tym, że nadal do końca nie wiemy jak ją wydobyć. Obecnie najlepiej znanym nam sposobem na wydobyć tej energii jest bomba atomowa. Jednak jak wiadomo energia wydobyta w ten sposób jest "brudna". Wydaje się że obecnie najbardziej znanym nam sposobem na wydobywanie energii jest elektryczność. Ta również nie jest w stu procentach czysta, dlatego obecnie opracowuje się ekologiczne źródła energii. Jednak elektryczność to szczególna forma energii, która występuje w naturalnym środowisku, pod takimi postaciami jak światło i pioruny. Oczywiście, w skali kosmosu energia bomby atomowej również występuje w naturalnej postaci, to np. nasze słońce.

Najważniejsze z tego wszystkiego jest to, aby zrozumieć, iż energia nie jest nowym produktem, tylko inną formą materii. Tak więc posiadamy ogromne zasoby i próbujemy wydobyć z niej energię. Gdyby udało nam się wydobyć chociaż połowę rzeczywistej energii z masy jaką posiada bateria laptopa, to nasz laptop pracowałby jak amerykański lotniskowce wyposażone w dwa reaktory atomowe, które pozwalają mu funkcjonować nawet przez ponad 20 lat.

Początki elektryczności

Elektryczność fascynowała ludzi od dawna, ale przez wieki pozostawała poza ich zasięgiem. Historia ujarzmiania elektryczności zaczyna się w XVIII wieku. Stephen Gray mieszkający w Londynie zbudował w swoim domu szklaną tubę i eksperymentował z elektrycznością statyczną, którą wytwarzał przykładając dłoń do szybko obracanej szklanej tuby. Zaobserwował, że elektryczność można wygenerować przez ruch i potrafi ona poruszać przedmioty. W 1732 opublikował wyniki swoich badań, których efektem były odkrycie przewodników i izolatorów. Do dziś używamy różnych metali jako przewodników i porcelany jako izolatora na słupach elektrycznych.

W 1745 Pieter van Musschenbroek, Holenderski naukowiec szukał sposobu na zgromadzenie elektryczności. Wcześniej wiedziano, że człowiek może ją wytworzyć, ale gdy przestawał to robić, natychmiast znikała. Wpadł na pomysł, aby poprzez metalowy przewód zgromadzić elektryczność wytwarzaną przez obracającą się szklaną tubę w wodzie przechowywanej w szklanym naczyniu. Szklane naczynie postawił na materiale, który miał właściwości izolacyjne. Pewnego razu zapomniał to zrobić i trzymał szklany pojemnik w dłoni, i tak udało mu się zbudować pierwsze urządzenie na świecie potrafiące przechowywać elektryczność. Nazwano je butelką lejdejską i jest ona przodkiem elementów elektrycznych znajdujących się dziś w niemal każdym urządzeniu elektronicznym - to kondensator.



Parę lat później jeden z założycieli Stanów Zjednoczonych Benjamin Franklin dokonał eksperymentu polegającego na naładowaniu butelki lejdejskiej za pomocą piorunu. Do środka butelki włożył trzy metrowy pręt i czekał na burze. Eksperyment powiódł się, jego wynikiem było udowodnienie, że pioruny są tą samo elektrycznością, którą wytwarza człowiek. Benjamin oprócz zrozumienia natury wyładowań elektrycznych wyjaśnił również zasadę działania butelki lejdejskiej i stworzył definicje ładunków elektrycznych opisując fundamentalne własności ładunków dodatnich i ujemnych.

W 1800 roku, włoski fizyk Alessandro Volta zbudował pierwszą baterie, zwaną stosem Volty. Warto podkreślić, iż bateria ta generowała energię z elektrycznych właściwości dwóch różnych metali, bez udziału jakiegokolwiek źródła energii zewnętrznej. Jego wkład w elektryczność był tak ważny, że na jego cześć nazwano jednostkę napięcia jego nazwiskiem. Dziewięć lat później brytyjski chemik Humphry Davy zbudował największą baterię jaką do tej pory widziano i przed publicznością zetkną ze sobą dwa końce kabli podłączone do tej baterii generując po raz pierwszy elektryczne światło wytworzone przez człowieka, które zapowiadało nadejście nowej ery w elektryczności.



Elektromagnetyzm

Michael Faraday był angielskim samoukiem, który interesował się elektrycznością. Udało mu się dostać pracę na stanowisku asystent w laboratorium Royal Institution of Great Britain. W 1821 roku zbudował pierwsze urządzenie, które jest przodkiem wszystkich obecnych silników elektrycznych. Odkrył, że prąd generuje pole magnetyczne, a jak wiadomo magnetyzm pozwala poruszać przedmioty. To odkrycie było początkiem nowej ery, w której ważniejsze było to, do czego prąd można wykorzystać, niż czym właściwie jest. Faraday odkrył również, że proces ten można odwrócić. Ruch i magnetyzm mógł generować prąd. To właśnie na tej zasadzie działają dzisiejsze elektrownie, dzięki której teraz działa Twój komputer. Faraday odkrył zjawisko zwane indukcją elektromagnetyczną.


Można by się domyśleć, że kolejnym krokiem będzie stworzenie elektrowni i żarówki, jednak najpierw stworzono coś innego, coś co ma więcej wspólnego z komputerem niż by się mogło wydawać.

Telegraf

W 1827 roku Amerykański naukowiec Joseph Henry dopracował elektromagnes. Jego zasadniczą cechą było to, że pole magnetyczne (elektromagnes) można było kontrolować na odległość za pomocą przewodu i prądu. To odkrycie pozwoliło na stworzenie pierwszego urządzenia przydatnego w codziennym ludzkim życiu, telegrafu.
Alfabet Morsa
wikipedia.org
W 1837 roku Samuel Morse zbudował pierwszy telegraf, który wykorzystywał prosty kod, zwany kodem Morsa. Zakodowanie alfabetu za pomocą tylko dwóch odmiennych sygnałów elektrycznych stanowi kamień milowy dla ówczesnej informatyki.

Poniższy film demonstruje zasadę działania telegrafu.



Od 1850 roku próbowano połączyć za pomocą kabla ówczesne dwa mocarstwa, Anglię i Stany Zjednoczone. Początkowo uważano, że położenie linii telegraficznej pod Atlantykiem jest niewykonywalne, jednak realne zyski zachęciły do prób. Ostatecznie w 1859 roku na środku Atlantyku połączono ze sobą dwa kable, tym samym łącząc ze sobą i po raz pierwszy dwa kontynenty.
Niestety komunikaty były mało zrozumiane, odbiorca nie mógł odróżnić krótkiego sygnału od długiego. Sytuacja okazała się frustrująca. Jakby tego było mało inżynierowie postanowili zwiększyć napięcie, gdyż uważali, że większe napięcie wygeneruje mocniejszy i wyraźniejszy sygnał. Niestety, konsekwencją podniesienia napięcia było zniszczenie kabla. Wtedy jeszcze nie do końca wiedziano nic o fali elektromagnetycznej i jak właściwie prąd płynie przez przewód. Mimo wszystko położenie transatlantyckiego kabla było największym i najdroższym eksperymentem z elektrycznością.

History of the Atlantic Cable

W końcu w 1866 roku położono nowy kabel, który rozwiązywał problem zakłóceń poprzez zastosowanie ekranowania i ponownie przesłano wiadomość. Tym razem sygnał był wyraźny i zrozumiany. Pierwszy raz informacja z Wielkiej Brytanii do Stanów Zjednoczonych docierała niemal natychmiast zamiast dwóch tygodni. Osiągnięcie to było bardziej postępem cywilizacyjnym niż technicznym.




Telefon

Nad ideą przesyłania głosu za pomocą elektryczność od 1875 roku pracował Alexander Graham Bell i to on złożył pierwszy patent na telefon. Jednak to urządzenie miało wielu współtwórców. W 1876 roku Alexander dokonał pierwszego udanego eksperymentu polegającego na przesłaniu dźwięku: "Mr. Watson come here I want to see you". W kolejnych latach cały czas udoskonalano tą technologię. Pierwszą rozmowę długodystansową  pomiędzy Nowym Jorkiem a Kalifornią wykonano dopiero aż w 1915 roku, ale jedna z pierwszych, a zarazem najbardziej znanych firm telekomunikacyjnych powstała już w 1885 roku, to AT&T (American Telephone and Telegraph Company). AT&T odegra jedną ze znaczących ról w procesie powstawiania komputerów. Teraz już wiesz, skąd wzięła się nazwa Bell Labs, nazwa laboratorium, w które miało wielki wpływ na powstanie komputerów i systemów operacyjnych.

W tym miejscu historia telefonu dopiero się zaczyna, a kolejność następnych odkryć traci liniowość. Wiele kolejnych odkryć było dokonywanych równocześnie, a ich opracowanie i udoskonalanie trwało lata. Postaram się jednak zachować właściwą kolejność dla nowych urządzeń wykorzystujących elektryczność.

Światło

wikipedia.org
Jak pisałem w 1809 roku Humphry Davy po raz pierwszy wygenerował światło, właściwie była to iskra i nie nadawała się do oświetlania domów, ponieważ była zbyt jasna. Pierwsza upowszechniona żarówka pojawiła się dopiero w 1880 roku, stworzył ją Thomas Edison. Nowy rodzaj elektryczności zrewolucjonizował nasze życie. Do tej pory pomieszczenia oświetlano gazem, lampami naftowymi lub zwykłymi świecami.

Dziś trudno to sobie wyobrazić, ale wszystkich odkryć opisanych do tej pory dokonano w pewnym sensie przy świetle świec. Mogliśmy wysyłać już telegramy, ale nadal używaliśmy świec i nadal energia elektryczna nie była powszechnie dostępna.


Dystrybucja energii elektrycznej

Choć Edison nie był jedynym wynalazcą żarówki, to cała chwała przypadła jemu. Jednak kluczem do elektrycznego biznesu było generowanie prądu i jego dystrybucja do jak największej ilości odbiorców. Tylko wtedy w pełni można było zarobić na elektryczności. W tym momencie historia elektryczności przestaje mieć charakter czysto odkrywczy i nabiera czysto ekonomicznych cech.

W 1882 roku Edison w otoczeniu reporterów i bankierów zapowiedział wybudowanie pierwszej elektrowni (ang. power station) na Manhatanie. Stacja została uruchomiona w 1890 roku i generowała prąd stały (DC). Jednak opłacalność takiego systemu była zerowa, ponieważ mogła ona dostarczać energię tylko w obrębie jednej mili, z powodu strat napięcia. System ten był bardzo ograniczony i drogi, a wielka wizja Edisona, w której oświetli on cały Nowy Jork została powstrzymana przez ograniczenia jego systemu.

Wybudowanie elektrowni było wielkim krokiem, pierwszy raz energię można było kupić. Poza tym centralne generowanie pozwalało uzyskać większą efektywności i ciągłą pracę. Jednak problemy z systemem rozprowadzania energii nie pozwalały na ekspansje elektryczności.

AC vs. DC

Rozwiązanie problemu zaproponował nieznany geniusz, był nim Nikola Tesla. Zaproponował zupełnie inne rozwiązanie, było nim generowanie prądu przemiennego (AC) poza miastami i dostarczanie do miasta. Tesla nie skupiał się tylko na generowaniu prądu, opracował cały system jego dystrybucji. Zaletą prądu przemiennego jest to, że można go przesyłać bez znacznych strat na bardzo duże odległości. Jego wadą było to, że wysokie napięcia prądu przemiennego są niebezpieczne.

Jednak sam Tesla nie był znany, ale jego patentem na generowanie prądu przemiennego i jego przetwarzanie na prąd stały zainteresował się George Westinghouse. Odkupił go od Tesla za znaczną kwotę, oraz za stałą opłatę od określonej ilości sprzedanej energii.

War of Currents - Transformator Tesli
wikipedia.org
Edison zwalczał pomysł Tesla strasząc ludzi, tym jak prąd przemienny jest niebezpieczny. Organizował pokazy, w których zabijał psy, a nawet konie. Wywołało to powszechny strach. Edison reklamował swój produkt jako bezpieczny system. Napięcie było duże, gdyż Thomas Edison i George Westinghouse walczyli o kontrakt na zaopatrzenie Nowego Jorku w prąd. Mieli świadomość tego, że przed zwycięzcą stanie otworem cały rynek.

W odpowiedzi na zabójcze działanie prądu przemiennego Tesla również przygotował pokaz, który sprawił iż ludzie uwierzyli, że prąd przemienny o bardzo dużych napięciach może być bezpieczny. Pokaz Nikola Tesla z 1891 roku zmienił bieg historii. W 1896 roku na wodospadzie Niagara zbudowano pierwszą elektrownię, która parę lat później zasiliła Nowy Jork w energię elektryczną. Dziś wszyscy korzystamy z energii elektrycznej dostarczanej systemem Nikola Tesla. Teraz już wiesz dlatego do komputera potrzebny jest adapter DC.

Jednak historia Nikola Tesla nie kończy się w chwale i bogactwie. Człowiek, który pomógł stworzyć dzisiejszy świat umarł biedny i samotny w hotelowym pokoju, a Edison stał się w pewnym sensie bohaterem Ameryki.

Manhattan nocą zasilany systemem Tesli
wikipedia.org
NASA - Electromagnetic Spectrum
Fale

Michael Faraday w 1846 roku powiedział, iż światło to jedna z form fali elektromagnetycznych. Publiczność go wyśmiała, mimo iż był już wtedy cenionym profesorem. Faraday nie potrafił udowodnić swego twierdzenia, potrzebował kogoś kto by mu pomógł. Po piętnastu latach (1861 r.) profesor James Clerk Maxwell natknął się na ideę Faradaja i uwierzył w nią. Postanowił udowodnić to matematycznie.

W 1887 roku Heinrich Rudolf Hertz przeprowadził eksperymenty, które potwierdziły prawidłowość obliczeń wykonanych przez Maxwell'a. W 1894 roku Oliver Lodge po raz pierwszy zaprezentował urządzenie wykrywające fale elektromagnetyczne. Wydarzenie to rozpoczyna nową erę w komunikacji i nauce.

Radio

Nie trudno domyślić się co było następstwem odkrycia fal elektromagnetycznych. Guglielmo Marconi jest najbardziej znanym nazwiskiem z wynalezienia radia. Co prawda nie tylko on rozwijał tą technologię ale to jemu udało się pierwszemu dokonać transmisji przez Atlantyk. Jego pierwsze eksperymenty z radiem miały miejsce w 1895 roku, natomiast pierwsza transatlantycka wiadomość przez Marconiego miała miejsce w 1902 roku.

Telewizor

Skoro to co widzimy jest światłem, a światło jest falą elektromagnetyczną, którymi zaczynano manipulować, to możliwe jest rejestrowanie i przesyłanie obrazu do odbiornika. Tak jak w przypadku telefonu użyto greckiego słowa "tele", które oznacza na odległość. Idea przesyłania obrazu na odległość powstała mniej więcej w tym samym czasie co przesyłanie dźwięku.

Pierwsze urządzenie potrafiące odbierać obraz stworzono w 1906 roku, jednak nie przypominało ono nowoczesnych telewizorów kineskopowych. Dużą rolę w rozwoju telewizji odegrały lampy elektronowe, z których w przyszłości budowano pierwsze komputery. Pierwsze stacje nadawcze, które są dziś jednymi z największych na świecie powstawały na początku lat trzydziestych, ale pierwszy przekaz kolorowego obrazu miał miejsce w 1938 roku.

Tranzystor

W 1947 roku w Bell Labs stworzono pierwszy tranzystor. Tranzystor korzysta z fizycznych właściwości krzemu, które nazwano półprzewodnikiem. Zasadę tranzystora można opisać następująco. Wyobraź sobie, że kawałek półprzewodnika (np. krzemu) łączy dwa przewody. Załóżmy, że prąd nie przepływa przez półprzewodnik. Teraz do krzemu przyłączmy trzeci przewód odgrywający rolę kontrolera. Za pomocą kontrolera małym napięciem uruchamiamy przewodnictwo większych napięć, czyli pozostałych dwóch przewodów połączonych z krzemem. Można to porównać do włącznika światła, gdzie przycisk pełni rolę kontrolera.

Zbudowanie elektronicznego przełącznika pozwoliło skonstruować logiczne bramki. Np. przy pomocy kilku tranzystorów można zbudować układy realizujące operacje logiczne, takiej jak AND, OR i NOT. Te proste operacje logiczne wraz z arytmetyką binarną są podstawami dzisiejszych procesorów. Stworzenie tranzystora rozpoczyna erę ówczesnych komputerów oraz całą masę urządzeń elektronicznych.

W 1948 roku Bell Labs opublikował jeden z najważniejszych dokumentów dla dzisiejszej komunikacji w sieci. "A Mathematical Theory of Communication", to matematyczne podstawy kodowania informacji przy pomocy urządzeń elektronicznych.

W 1956 roku John Bardeen, Walter H. Brattain i William Shockley otrzymali nagrodę Nobla z fizyki za wkład w stworzenie tranzystora.

Dolina Krzemowa

Zapewne Dolina Krzemowa kojarzy Ci się z informatyczną mekką, Google, Facebook, Intel, Microsoft i całą reszta wielkich korporacji. Jednak zanim tak się stało miejsce to miało przeznaczenie rolnicze i było pełne owocowych sadów.

W 1953 jedne z konstruktorów tranzystora William Shockley opuścił Bell Labs i założył firmę produkującą tranzystory zwaną Shockley Semiconductor Laboratory. Oczywiście na lokalizacje wybrał wspomniane tereny rolnicze. Kolejną oczywistością jest to, że sam nie mógł zająć się wszystkim, potrzebował współpracowników. Tak więc zebrał najlepszych fizyków, był tam chyba też chemik i matematyk, razem było ich ośmiu (zdradziecka ósemka).

Jeżeli jesteś dociekliwy, pewnie zadajesz sobie pytanie dlaczego zdradziecka? Otóż osoby te miały okazje pracować w pierwszej firmie zajmującej się produkcją półprzewodników i zdobyły tam cenne doświadczenia zawodowe. W tamtych czasach produkcję półprzewodników napędzała zimna wojna,  Shockley Semiconductor Laboratory realizował wiele zleceń dla Armii US. W każdym bądź razie w 1957 roku cała ósemka opuściła dotychczasowego pracodawcę i założyła nową firmę zwaną Fairchild Semiconductor. W 1968 roku dwóch inżynierów ze wspomnianej ósemki stworzyło kolejną firmę, którą na pewno kojarzysz. Robert Noyce i Gordon Moore stworzyli firmę Intel i tak powstała Dolina Krzemowa.

W tym miejscu kończy się historia, którą chciałem przedstawić a zaczyna się historia współczesnej informatyki.

Podsumowanie

Otóż każda część Twojego laptopa, czy tabletu ma swoich przodków w przedstawionej historii. Ekran, dysk, WiFi, gładzik, zasilacz, bateria, głośniki, kamera, mikrofon, procesor, jednym słowem wszystko. Wszystko to składa się na obecnie jedno z najbardziej złożonych urządzeń elektronicznych zwanych komputerem. Każda z tych części może działać tylko dzięki energii elektrycznej. Obecne komputery nie mogłyby oferować takiej funkcjonalności, gdyby wcześniej nie wynaleziono żarówki, elektrowni, baterii, telefonu, radia, telewizji i w końcu tranzystora. Każdy z tych wynalazków jest częścią historii obecnych komputerów.

Więc, jeżeli zastanawiasz się jak działa WiFi, czy procesor, a tym bardziej jakich innowacji niebawem się doczekasz, to w pewnym sensie pytasz o przyszłość urządzeń elektronicznych, z których zbudowany jest Twój komputer.

Ale tryumf elektryczność nie ogranicza się do zbudowania komputera przez człowieka. Elektryczność, a właściwie nasza umiejętność manipulowania nią zmieniła cały nasz dotychczasowy świat, komputer zaś jest tylko jedna z form tej rewolucji.

NASA - EARTH'S CITY LIGHTS

1 comment:

  1. Fantastyczny artykuł. Gratuluję. Czyta się jednym tchem i nareszcie zwykły użyszkodnik może połączyć i zrozumieć niektóre fakty...

    ReplyDelete