Varhaiset nykyaikaiset tietokoneet ryhmitellään yleensä neljään ”sukupolveen”. Jokaista sukupolvea leimaavat parannukset perustekniikassa. Nämä teknologiset parannukset ovat olleet poikkeuksellisia, ja jokainen edistysaskel on johtanut siihen, että tietokoneet ovat halvempia, nopeampia, suuremmalla muistikapasiteetilla varustettuja ja kooltaan pienempiä.
Tämä jaottelu sukupolviin ei ole yksiselitteinen eikä kiistaton. Monet keksinnöt ja keksinnöt, jotka ovat vaikuttaneet nykyaikaisen tietokoneaikakauden syntyyn, eivät sovi siististi näihin tiukkoihin kategorioihin. Lukijan ei pidä tulkita näitä päivämääriä tiukkoina historiallisina rajoina.
Ensimmäinen sukupolvi (1945-1959)
Vakuumiputken keksi vuonna 1906 sähköinsinööri Lee De Forest (1873-1961). Se oli 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla perustavaa laatua oleva tekniikka, jota käytettiin radioiden, televisioiden, tutkien, röntgenlaitteiden ja monenlaisten muiden elektronisten laitteiden rakentamiseen. Se on myös ensisijainen teknologia, joka liittyy ensimmäisen sukupolven laskentakoneisiin.
Ensimmäinen toimiva elektroninen yleistietokone, nimeltään ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), rakennettiin vuonna 1943, ja se käytti 18 000 tyhjiöputkea. Se rakennettiin valtion rahoituksella Pennsylvanian yliopiston Moore School of Engineeringissä, ja sen pääsuunnittelijoina olivat J. Presper Eckert, Jr. (1919-1995) ja John W. Mauchly (1907-1980). Se oli lähes 30,5 metriä (100 jalkaa) pitkä, ja siinä oli kaksikymmentä 10-numeroista rekisteriä väliaikaisia laskutoimituksia varten. Se käytti reikäkortteja syöttöön ja tulostukseen, ja se ohjelmoitiin pistorasiaan kytkettävillä johdoilla. ENIAC pystyi laskemaan 1 900 laskutoimitusta sekunnissa. Sitä käytettiin pääasiassa sotaan liittyviin laskutoimituksiin, kuten ballististen laukaisutaulukoiden laatimiseen ja atomipommin rakentamista tukeviin laskelmiin.
Colossus oli toinen kone, joka rakennettiin näinä vuosina auttamaan toisessa maailmansodassa. Se oli brittiläinen kone, ja sitä käytettiin auttamaan vihollisen salaisten viestien purkamisessa. Koneessa käytettiin 1 500 tyhjiöputkea, ja se ohjelmoitiin ENIACin tavoin pistoketaulukaapeloinnin avulla.
Näitä varhaisia koneita ohjattiin tyypillisesti pistoketaulukaapeloinnin avulla tai paperinauhalle koodattujen ohjeiden avulla. Tietyt laskutoimitukset edellyttivät yhtä johdotusta, kun taas toiset laskutoimitukset edellyttivät toista johdotusta. Vaikka nämä koneet olivat selvästi ohjelmoitavissa, niiden ohjelmia ei tallennettu sisäisesti. Tämä muuttuisi tallennettujen ohjelmien tietokoneen kehittämisen myötä.
ENIACia työstänyt ryhmä oli luultavasti ensimmäinen, joka tunnisti tallennettujen ohjelmien käsitteen merkityksen. Tämän konseptin varhaiseen kehittämiseen osallistuivat muun muassa J. Presper Eckert Jr. (1919-1955) ja John W. Mauchly (1907-1980) sekä John von Neumann (1903-1957). Kesällä 1946 Mooren koulussa pidettiin seminaari, jossa kiinnitettiin suurta huomiota tallennetun ohjelmatietokoneen suunnitteluun. Näihin keskusteluihin osallistui kolmisenkymmentä tutkijaa Atlantin valtameren molemmin puolin, ja pian rakennettiin useita tallennetun ohjelman koneita.
Yksi Moore Schoolin seminaariin osallistuneista, Maurice Wilkes (1913-), johti brittiläistä ryhmää, joka rakensi EDSAC:n (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) Cambridgessa vuonna 1949. Amerikkalaisten puolella Richard Snyder johti ryhmää, joka sai valmiiksi EDVAC:n (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) Mooren koulussa. Von Neumann auttoi suunnittelemaan IAS-koneen (Institute for Advanced Study), joka rakennettiin Princetonin yliopistoon vuonna 1952. Vaikka nämä koneet käyttivät edelleen tyhjiöputkia, ne kaikki rakennettiin niin, että niiden ohjelmat voitiin tallentaa sisäisesti.
Toinen tärkeä tämän sukupolven kone, johon ohjelmat tallennettiin, oli UNIVAC (UNIVersal Automatic Computer). Se oli ensimmäinen menestyksekäs kaupallisesti saatavilla oleva kone. UNIVACin suunnittelivat Eckert ja Mauchly. Se käytti yli 5 000 tyhjiöputkea ja käytti magneettinauhaa irtotallennukseen. Konetta käytettiin muun muassa kirjanpitoon, vakuutusmatemaattisten taulukoiden laskentaan ja vaalien ennustamiseen. Näitä koneita asennettiin lopulta 46 kappaletta.
UNIVAC, joka suoritti ensimmäisen ohjelmansa vuonna 1949, pystyi suorittamaan kymmenen kertaa enemmän yhteenlaskuja sekunnissa kuin ENIAC. Nykydollareissa UNIVACin hinta oli 4 996 000 dollaria. Tänä aikana toimitettiin myös ensimmäinen IBM:n tietokone. Sen nimi oli IBM 701, ja näitä koneita myytiin yhdeksäntoista kappaletta.
Kakkossukupolvi (1960-1964)
Kaupallisen kiinnostuksen lisääntyessä tietokonetekniikkaa kohtaan 1950-luvun lopulla ja 1960-luvulla otettiin käyttöön toisen sukupolven tietokonetekniikka, joka ei perustunut tyhjiöputkiin vaan transistoreihin .
John Bardeen (1908-1991), William B. Shockley (1910-1989) ja Walter H. Brattain (1902-1987) keksivät transistorin Bell Telephone Laboratoriesissa 1940-luvun puolivälissä. Vuoteen 1948 mennessä monille oli selvää, että transistori todennäköisesti korvaisi tyhjiöputken sellaisissa laitteissa kuin radiot, televisiot ja tietokoneet.
Yksi ensimmäisistä transistoriin perustuvista laskentakoneista oli Philco Corporationin Transac S-2000 vuonna 1958. IBM seurasi pian perässä transistoripohjaisella IBM 7090:llä. Nämä toisen sukupolven koneet ohjelmoitiin kielillä kuten COBOL (Common Business Oriented Language) ja FORTRAN (Formula Translator), ja niitä käytettiin monenlaisiin liike-elämän ja tieteen tehtäviin. Tietojen tallentamiseen käytettiin usein magneettilevyjä ja nauhoja.
Kolmas sukupolvi (1964-1970)
Tietokonetekniikan kolmas sukupolvi perustui integroituun piiritekniikkaan ja ulottui noin vuodesta 1964 vuoteen 1970. Jack Kilby (1923-) Texas Instrumentsista ja Robert Noyce (1927-1990) Fairchild Semiconductorista kehittivät ensimmäisenä integroidun piirin idean vuonna 1959. Integroitu piiri on yksittäinen laite, joka sisältää useita transistoreja.
Tämän ajanjakson kiistatta tärkein kone oli IBM System/360. Jotkut sanovat, että tämä kone esitteli yksin kolmannen sukupolven. Kyseessä ei ollut pelkästään uusi tietokone, vaan uusi lähestymistapa tietokoneiden suunnitteluun. Se otti käyttöön yhden ainoan tietokonearkkitehtuurin useiden eri laitteiden tai laiteperheiden yli. Toisin sanoen ohjelma, joka oli suunniteltu toimimaan yhdellä perheen koneella, pystyi toimimaan myös kaikilla muilla koneilla. IBM käytti noin 5 miljardia dollaria System/360:n kehittämiseen.
Tuoteperheen yksi jäsen, IBM System/360 Model 50, pystyi suorittamaan 500 000 lisäystä sekunnissa, ja sen hinta oli tämän päivän dollareissa 4 140 257 dollaria. Tämä tietokone oli noin 263 kertaa nopeampi kuin ENIAC.
Tietokoneiden kolmannessa sukupolvessa keskusprosessori rakennettiin käyttämällä monia integroituja piirejä. Vasta neljännessä sukupolvessa koko prosessori sijoitettiin yhdelle piipiirille – joka oli postimerkkiä pienempi.
Neljäs sukupolvi (1970-?)
Tietokonetekniikan neljäs sukupolvi perustuu mikroprosessoriin. Mikroprosessoreissa käytetään Large Scale Integration (LSI) ja Very Large Scale Integration (VLSI) -tekniikoita tuhansien tai miljoonien transistorien pakkaamiseksi yhdelle sirulle.
Intel 4004 oli ensimmäinen prosessori, joka rakennettiin yhdelle piipiirille. Se sisälsi 2 300 transistoria. Se rakennettiin vuonna 1971, ja se merkitsi alkua tietokoneiden sukupolvelle, jonka suku ulottuu nykypäivään asti.
Vuonna 1981 IBM valitsi Intel Corporationin mikroprosessorin (Intel 8086) rakentajaksi uuteen koneeseensa, IBM-PC:hen. Tämä uusi tietokone pystyi suorittamaan 240 000 lisäystä sekunnissa. Vaikka tämä tietokone oli paljon hitaampi kuin IBM 360 -tuoteperheen tietokoneet, se maksoi nykypäivän dollareina vain 4 000 dollaria! Tämä hinta-laatusuhde aiheutti noususuhdanteen henkilökohtaisten tietokoneiden markkinoilla.
Vuonna 1996 Intel Corporationin Pentium Pro PC pystyi suorittamaan 400 000 000 lisäystä sekunnissa. Tämä oli noin 210 000 kertaa nopeampi kuin ENIAC – toisen maailmansodan työjuhta. Kone maksoi inflaatiokorjattuina dollareina vain 4400 dollaria.
Mikroprosessoritekniikkaa on nykyään kaikissa nykyaikaisissa tietokoneissa. Itse siruja voidaan valmistaa edullisesti ja suuria määriä. Prosessorisiruja käytetään keskusprosessoreina ja muistisiruja käytetään dynaamisessa satunnaiskäyttömuistissa (RAM) . Molemmissa sirutyypeissä hyödynnetään miljoonia piipintaan syövytettyjä transistoreita. Tulevaisuus voi tuoda mukanaan siruja, jotka yhdistävät prosessorin ja muistin yhdelle piikiekolle.
1980-luvun loppupuolella ja 1990-luvulla välimuistitetut, putkipohjaiset ja superscaler-mikroprosessorit yleistyivät. Koska monet transistorit voitiin keskittää hyvin pieneen tilaan, tutkijat pystyivät suunnittelemaan näitä yhden sirun prosessoreita, joissa oli sisäistä muistia (jota kutsutaan välimuistiksi), ja pystyivät hyödyntämään käskytason rinnakkaisuutta käyttämällä käskyputkia sekä malleja, jotka mahdollistivat useamman kuin yhden käskyn suorittamisen kerrallaan (jota kutsutaan superscaleriksi). Intel Pentium Pro PC oli välimuistissa oleva, superskalaattorilla varustettu, putkitettu mikroprosessori.
Tämän ajanjakson aikana myös rinnakkaisten prosessoreiden käyttö on lisääntynyt. Näissä koneissa yhdistetään useita eri tavoin yhdistettyjä prosessoreita, jotka laskevat tuloksia rinnakkain. Niitä on käytetty tieteellisiin laskutoimituksiin, ja nyt niitä käytetään myös tietokanta- ja tiedostopalvelimissa. Ne eivät ole yhtä yleisiä kuin yksiprosessoriset koneet, koska monien vuosien tutkimuksen jälkeen niitä on edelleen hyvin vaikea ohjelmoida ja monet ongelmat eivät välttämättä sovellu rinnakkaisratkaisuun.
Tietokonetekniikan varhainen kehitys perustui vallankumouksellisiin edistysaskeliin teknologiassa. Keksinnöt ja uusi teknologia olivat liikkeellepaneva voima. Viimeaikaista kehitystä on luultavasti parasta pitää pikemminkin evolutionaarisena kuin vallankumouksellisena.
On esitetty, että jos lentokoneteollisuus olisi kehittynyt samaa vauhtia kuin tietokoneteollisuus, New Yorkista San Fransiscoon voisi matkustaa viidessä sekunnissa 50 sentillä. 1990-luvun lopulla mikroprosessorien suorituskyky parani 55 prosenttia vuodessa. Jos tämä suuntaus jatkuu, eikä ole täysin varmaa, että se jatkuu, vuoteen 2020 mennessä yhdellä mikroprosessorilla voisi olla 2000-luvun kynnyksellä Piilaakson kaikkien tietokoneiden laskentateho.
ks. myös Apple Computer, Inc.; Bell Labs; Eckert, J. Presper, Jr. ja Mauchly, John W.; Integroidut piirit; Intel Corporation; Microsoft Corporation; Xerox Corporation.
Michael J. McCarthy
Bibliografia
Hennessy, John ja David Patterson. Tietokoneiden organisointi ja suunnittelu. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 1998.
Rockett, Frank H. ”The Transistor”. Scientific American 179, no. 3 (1948): 52.
Williams, Michael R. A History of Computing Technology. Los Alamitos, CA: IEEE Computer Society Press, 1997.