کامپیوتر چطور ساخته شد؟ (+ دانلود فیلم رایگان)
در دنیای امروز، کامپیوترها چنان در زندگی ما رسوخ کردهاند که وجود آنها را امری بدیهی میشماریم؛ اما واقعیت این است که کامپیوتر ها در عرض یک شب ساخته نشدند. هر چند بنیانگذاری محاسبات ماشینی به طور جدی در قرن نوزدهم میلادی پیگیری شد؛ اما کار از زمانهایی بسیار پیشتر آغاز شده بود.
فیلم آموزشی کامپیوتر چطور ساخته شد؟
قرنها طول کشید تا مهندسان و ریاضیدانان بتوانند دانش و مهارت لازم برای ساخت کامپیوترها را به دست آورند؛ تلاشی که سرانجام در قرن بیستم و زمان جنگ جهانی دوم که نخستین دستگاه تمام الکترونیکی برای شکستن رمز پیامهای ارتش آلمان توسعه داده شد، به هدف خود دست یافت.
اگر بخواهیم به این پرسش پاسخ دهیم که «چه کسی نخستین کامپیوتر را اختراع کرد؟»، ابتدا باید واژه «کامپیوتر» را تعریف کنیم. کامپیوتر از کلمه Compute در زبان انگلیسی گرفته شده است که به معنای محاسبه و شمارش است؛ اما در مورد تعریف خود واژه کامپیوتر اتفاق نظری بین متخصصان وجود ندارد.
بیشترین موضوع اختلاف نیز به این مساله باز میگردد که آیا کامپیوترها لزوما باید «الکترونیکی» باشند یا خیر. در هر حال، در این نوشته قصد نداریم به پرسش بالا پاسخ دهیم؛ بلکه میخواهیم مسیری را بررسی کنیم که برای رسیدن به کامپیوترهای امروزی طی شده است.
جد بزرگ
ابزارهای محاسباتی از زمانهای بسیار قدیم همراه بشر بودهاند. شاید مسحورکنندهترین و پیچیدهترین این ابزارها که از دوران کهن برجای مانده است، «دستگاه آنتیکیثیرا» (Antikythera Mechanism) باشد که از بقایای کشتی شکستهای یونانی به دست آمده است که در سال 1900 کشف شد.
به عقیدهی محققان، این ابزار بینظیر و سرشار از چرخدنده برای پیشبینی حرکت خورشید، ماه و سیارهها کاربرد داشته است؛ اما بعضی نیز عقیده دارند دستگاه آنتیکیثیرا در حقیقت نسخهای از یک کامپیوتر اولیه است.
امروزه وقتی صحبت از کامپیوتر به میان میآوریم، معمولا منظورمان دستگاههای چندکارهای است که نخستین نمونه آنها در میانه قرن بیستم میلادی پدیدار شدند. این دستگاهها بر پایه رشتههایی از اعداد و با پیروی از دستورالعملهایی که با عنوان «برنامه» شناخته میشود، عملیات منطقی را انجام میدهند.
بر اساس این تعریف، نخستین نیای حقیقی کامپیوترهای امروزی را شاید بتوان دستگاه جمعزنی مکانیکی دانست که توسط ریاضیدان فرانسوی، «بلیز پاسکال» (Blaise Pascal) در سال 1642 اختراع شد. این دستگاه که بعدها به نام «پاسکالین» (Pascaline) مشهور شد، در اصل نخستین ماشینحساب مکانیکی است که قادر بود رشته اعداد بزرگ را با هم جمع بزند.
پاسکالین از سازوکاری هوشمندانه و مبتکرانه از چرخدندههای داخلی بهره میبرد تا اعدادی را جمع بزند که با چرخاندن مجموعهای از شماره اندازهای فلزی (مشابه تلفنهای رومیزی قدیمی) در رویه بالایی دستگاه به آن داده میشد. پاسکالین قادر بود محاسبات خود را در مبنای اعداد مختلف، از مبنای دهدهی گرفته تا تقسیمات پیچیده واحد پولی فرانسه انجام دهد.
یک نسل بعد، ریاضیدان آلمانی «گاتفرید لایبنیتز» (Gottfried Leibniz) دستگاه پیچیدهتری به نام «شمارشگر پلهای» (Stepped Reckoner) ساخت که نه تنها میتوانست جمع و تفریق اعدادی تا 16 رقم را انجام دهد، بلکه همچنین قادر بود اعداد هشت رقمی را هم ضرب و تقسیم کند.
این دستگاهها اجداد ماشینحسابهای مکانیکی بودند که تا اوایل قرن بیستم میلادی به طور گسترده مورد استفاده قرار میگرفتند؛ اما آنها تنها برای یک هدف نسبتا محدود طراحی شده بودند. کلید اصلی حرکت به سمت یک رویکرد همهکارهتر، چیزی که آن را «قابلیت برنامهنویسی» مینامیم، از جایی پدیدار شد که شاید هیچکس انتظار آن را نداشت.
معجزه بافندگی
«ژوزف ماری ژاکارد» (Joseph Marie Jacquard) بافندهای فرانسوی و مخترعی آماتور بود که تجربیات خود از کار با دستگاههای بافندگی را به خوبی در اختراعاتش بهکار گرفت. در نمایشگاه صنعتی پاریس در سال 1801، ژاکارد از یک دستگاه بافندگی رونمایی کرد که با «خواندن» خودکار زنجیرهای از کارتهای سوراخ شده، قادر بود الگوی بافت پارچه خود را کنترل کند.
دستگاه بافندگی ژاکارد انقلابی در صنعت نساجی ایجاد کرد و تنها طی یک دهه، 11 هزار دستگاه از این اختراع در سراسر فرانسه مشغول کار بود. از همه مهمتر، این دستگاه بنیانگذار ایده ساخت دستگاهی شد که با تغییر چیدمان و ساختارش، انجام کارها و وظایف متفاوت امکانپذیر میشد؛ ایدهای که تاثیر زیادی روی فردی گذاشت که بسیاری او را پدر علم محاسبات و کامپیوتر میدانند.
سال 1822 و در یک جلسه سخنرانی در انجمن پادشاهی اخترشناسی انگلستان، ریاضیدان و بحرالعلوم معروف، «چارلز بابیج» (Charles Babbage) طرح و عملکرد دستگاهی را مطرح کرد که خودش آن را «موتور تفاضلی» (Difference Engine) مینامید؛ دستگاهی که قادر بود محاسبات پیچیده را بسیار سریعتر و دقیقتر از هر انسانی انجام دهد.
بابیج پیشنهاد داد از این دستگاه میتوان برای تهیه جداول حرکت سیارات که آن زمان برای ناوبری و کشتیرانی مورد نیاز بود، استفاده کرد. او موفق شد توجه دولت بریتانیا را به این پروژه جلب کند و اقدام به ساخت آن کرد. با وجود این، ساخت دستگاه پروژه پیچیدهای بود و پس از چند نوبت مشاجره شدیدی که بین بابیج و مهندس پروژه، «جوزف کلمنت» (Joseph Clement) درباره هزینههای آن رخ داد، در نهایت پروژه به بنبست رسید و کار روی آن متوقف شد.
اما پیش از آنکه دولت بودجه پروژه را در سال 1842 قطع کند، بابیج کار روی طرح جاهطلبانهتری را آغاز کرده بود؛ نخستین نمونه از چیزی که ما آن را به عنوان یک کامپیوتر واقعی میشناسیم. ایده جدید بابیج به نام «موتور تحلیلی» (Analytical Engine) کامپیوتر مکانیکی پیچیدهای بود که بسیاری از جنبههای دستگاههای الکترونیکی مدرن را پیشبینی کرده بود.
این دستگاه قادر بود فراتر از اعمال ریاضی ساده، طیف گستردهای از انواع عملیات را انجام دهد؛ مثلا بسته به اینکه چه شروطی ارضا میشوند، از دستورالعملهای متفاوتی پیروی کند. موتور تحلیلی میتوانست دادههای ورودی را که توسط مجموعهای از کارتهای سوراخدار به دستگاه داده میشد، به کمک دستورالعملهایی که توسط مجموعه دیگری از کارتهای سوراخدار اعمال میشد پردازش کند و دادهای خروجی را روی یک چاپگر ساده یا رسام گرافیکی (Plotter) به تصویر بکشد.
دستگاه جدید بابیج معماری درونی ماژولار داشت و از واحدهای مجزایی تشکیل میشد که محاسبات را انجام میدادند. همچنین حافظهای داخلی داشت که میتوانست اعداد را ذخیرهسازی و بازیابی کند. الگوریتم ساده این دستگاه توسط «آدا لاولیس» (Ada Lovelace) نوشته شده بود؛ دختر لرد بایرون و ریاضیدانی با استعداد که اغلب به عنوان نخستین برنامهنویس دنیا شناخته میشود.
طرحهای بابیج برای موتور تفاضلی و موتور تحلیلی هر دو عملی بودند؛ بنابراین با وجود اینکه هیچ کدام از این دو دستگاه تکمیل نشدند، بابیج را عموما به عنوان پدر کامپیوتر میشناسند.
تولد دوباره
متاسفانه بابیج پیش از آنکه در سال 1871 از دنیا برود، تنها موفق شد بخشهایی از موتور تحلیلی خود را بسازد و پس از مرگش نیز کسی نبود تا ایدههایش را دنبال کند؛ در نتیجه همه چیز به بوته فراموشی سپرده شد. اما 18 سال پس از مرگ بابیج، مخترع آمریکایی «هرمان هولریث» (Herman Hollerith) دوباره با ایده استفاده از کارتهای سوراخدار از راه رسید.
کارتهای هولریث قابلیت این را داشتند که با سرعت بالا از یک «جدولبند» (Tabulator) الکترومغناطیسی عبور داده شوند و دستگاه در نقاطی که جریان از سوراخها رد میشد، پالسهایی الکتریکی را ثبت میکرد. اختراع کارآمد هولریث روش کار با دادهها و پردازش آنها را دگرگون کرد. در همان دهه 1890 از این دستگاه برای پردازش نتایج سرشماری ملی آمریکا استفاده شد که کمک کرد نتایج چندین ماه زودتر از برنامه زمانبندی استخراج شود. شرکتی که هولریث بنیانگذاری کرده بود، بعدها به یکی از زیرمجموعههای غول صنعت کامپیوتر، IBM تبدیل شد.
اما مهمترین میراث جدولبند هولریث ویژگی ذاتی آن بود که باعث شد ایده استفاده از یک سیستم باینری (دودویی) با دو وضعیت ممکن «خاموش» یا «روشن» شکل بگیرد؛ یعنی همان چیزی که معادل صفر و یک در کامپیوترهای امروزی است.
عصر دودویی
سال 1854، «جرج بول» (George Boole) مفهومی منطقی موسوم به «جبر بولی» را پیشنهاد کرد؛ زیرمجموعهای از علم جبر که در آن ورودیها و خروجیهای عملیات منطقی تنها میتوانستند دو مقدار داشته باشند: درست و غلط. البته این امکان هم وجود داشت که مقادیر صفر و یک را به آنها اختصاص داد. اما باید راهی پیدا میشد که بتوان جبر بولی را در عمل پیادهسازی کرد؛ راهکاری که ریاضیدان و مهندس آمریکایی «کلود شانون» (Claude Shannon) در پایاننامه دانشگاهیاش در سال 1937 ارائه کرد.
شانون نخستین کسی بود که به طور رسمی، توانایی ابزارهای الکترونیکی را برای انجام عملیات منطقی بولی با سرعت بالا اثبات کرد. او پیشنهاد کرد مدارهای رله دودویی (سوئیچهای سادهای که با جریان الکتریکی کنترل میشدند) را میتوان در نقش «دروازههای کنترلی» (Logic Gates) برای انجام عملیاتهای بولی استفاده کرد.
اصول نظری کار خیلی ساده بود. چیدمان صحیح رلهها میتواند خروجی تولید کند که توسط دو مقدار ورودی کنترل میشود. برای مثال، یک دروازه «و» (AND) تنها در صورتی سیگنال را عبور میداد که جریانی الکتریکی در هر دو ورودیاش وجود داشت؛ اما برای تولید سیگنال خروجی در یک دروازه «یا» (OR) کافی بود تنها در یکی از ورودیها جریان وجود داشته باشد. شبکههای متشکل از تعداد زیادی از این دروازههای منطقی قادر به انجام محاسبات بودند و عملیاتهای منطقی پیچیده را با سرعتی بالا روی مجموعهای از ارقام دودویی انجام میدادند.
همزمان با شانون، افراد دیگری نیز با ایده استفاده از رلهها برای ساخت کامپیوتر از راه رسیدند. در همان سال 1937، محققی به نام «جرج استیبیتز» (George Stibitz) که در مجموعه آزمایشگاههای بل در نیوجرسی آمریکا کار میکرد، نخستین «شبکه منطقی» الکترونیکی دنیا را با استفاده از مجموعهای رله و لامپ رشتهای روی میز آشپزخانهاش سرهم کرد.
سال بعد، روسای استیبیتز در آزمایشگاه بل از او خواستند دستگاهش را به شکل یک دستگاه محاسباتی الکترومکانیکی کامل توسعه دهد. به این ترتیب، کامپیوتر Complex Number در ژانویه 1940 تکمیل شد که تا سال 1949 هم مشغول کار بود؛ اما از آنجاییکه دستگاهی قابل برنامهریزی نبود، نمیتوان آن را یک کامپیوتر واقعی دانست.
در همین زمان و در سوی دیگر اقیانوس اطلس، مهندس و علاقهمند علوم محاسباتی به نام «کنراد زوس» (Konrad Zuse) مشغول کار روی مساله مشابهی بود. در سال 1938 و با بودجهای محدود، زوس یک ماشین محاسبه دودویی به نام Z1 ساخت؛ نخستین کامپیوتر کاملا مکانیکی و عملیاتی دنیا که از منطق بولی و مبنای دودویی استفاده میکرد.
طی چند سال بعد و با سرمایهگذاری ارتش آلمان، زوس ماشین Z2 و در سال 1941 ماشین Z3 را ساخت. دستگاه سوم به جای سوئیچهای مکانیکی از رلههای الکترومکانیکی استفاده میکرد و به مراتب قابل اعتمادتر بود. اما با اوجگیری جنگ جهانی دوم، اولویتهای ارتش آلمان تغییر کرد و به همین دلیل با درخواست بودجه زوس برای جایگزینی رلههای دستگاهش با لامپهای تمام الکترونیکی مخالفت کردند.
تلاش انگلیسی
بر خلاف مقامات آلمان، در انگلستان چند مغز متفکر برجسته پیشبینی کرده بودند قدرت محاسباتی میتواند تفاوت بین شکست و پیروزی را رقم بزند. حتی پیش از آغاز جنگ در سال 1939، متخصصان انگلیسی و لهستانی مشغول کار برای رمزگشایی از ماشین رمزنگاری شیطانصفت آلمانیها موسوم به «انیگما» (Enigma) بودند.
به دنبال سقوط و اشغال لهستان، تلاشهای متخصصان انگلیسی که در «بلچلی پارک» (Bletchley Park) -مرکز سری انگلستان برای رمزگشایی دستگاه رمزنگاری انیگما آلمان- مستقر بودند، شدت گرفت. بسیاری از برترین محققان و مهندسان این کشور استخدام شدند که ریاضیدان دانشگاه کمبریج «آلن تورینگ» (Alan Turing) نیز یکی از آنها بود؛ مغز متفکری که سال 1936 مقالهای تاثیرگذار درباره کاربردهای بالقوهی «ماشینهای محاسباتی» (Computing Machines) نوشته بود و عملا پایههای نظری بسیاری از تحقیقات علوم محاسباتی و هوش مصنوعی را بنیان گذاشت.
گروه بلچلی برای شکستن رمزهای آلمانی، هر ابزاری را از منطق و شهود گرفته تا دستگاههای محاسب خام و ابتدایی استفاده کردند. در آن زمان، انیگما و دیگر رمزهای آلمان از نظر تئوری غیرقابل شکستن بودند؛ اما بیدقتی کاربران این رمزها سرنخهایی به جا میگذاشت که تعداد جایگشتهای بینهایت این رمز را تا تعداد قابل قبولی کاهش میداد. یکی از نخستین پروژههای تورینگ در بلچلی Bombe بود؛ ابزار محاسباتی الکترومکانیکی که میتوانست با سرعت بالا جوابهای احتمالی را بررسی و الک کند.
اگرچه Bombe قادر بود پیامهای عادی انیگما را رمزگشایی کند، اما واضح بود افسران ارشد آلمانی برای ارسال دستورات حساستر و محرمانهتر از رمزنگار «لورنتز» (Lorenz) استفاده میکردند که به مراتب از انیگما پیچیدهتر بود. با توجه به اینکه حتی با استفاده از دستگاه Bombe رمزشکنی هر کدام از رمزهای لورنتز نیز هفتهها طول میکشید، راهحلی جایگزین مورد نیاز بود.
نخستین کامپیوتر تمام الکترونیکی
وظیفه ساخت دستگاهی که بتواند رمز دستگاه رمزنگاری «لورنتز» آلمان را طی جنگ جهانی دوم بشکند، به «تامی فلاورز» (Tommy Flowers) محول شد که بخش عمده کار را در آزمایشگاههای پایگاه تحقیقاتی اداره پست انگلستان در «دولیسهیل» (Dollis Hill) در شمال لندن انجام داد. فلاورز قانع شده بود تنها راهحل انجام این کار ساخت کامپیوتری تمام الکترونیک است.
فلاورز پیشتر تجربه کار با لامپهای گرمایونی (Thermionic Valves) را داشت که در ارتباطات تلفنی استفاده میشدند، اما مافوقهای او نگران ساختار شکننده رشتههای این لامپها بودند. با وجود این، فلاورز استدلال میکرد این لامپها تنها در صورتی خراب میشوند که پشت سر هم روشن و خاموش شوند که برای ساخت دستگاه مورد نظر آنها مشکلی به حساب نمیآمد. پس از آنکه تلاشهای او برای متقاعد کردن دیگران بینتیجه ماند، تصمیم گرفت شخصا بخش اعظم بودجه ساخت دستگاه را فراهم کند و البته خیلی زود ثابت شد حق با او بوده است.
کامپیوتر Colossus Mark 1 که دسامبر 1943 تکمیل شد، نخستین کامپیوتر تمام الکترونیکی و بزرگمقیاس تاریخ در مبنای دودویی بود. این دستگاه شبکهای از 1600 لامپ خلأ داشت تا سوئیچ کردنهای مورد نیاز محاسباتش را انجام دهد و بسیار سریعتر و کارآمدتر از هر چیزی بود که انسان پیش از آن تصور میکرد.
مارک 1 متنهای رمزنگاری شده را به شکل کارتهای سوراخدار دریافت میکرد و بر اساس «مدل» الکترونیکی ساخته شده از دستگاه رمزنگار، احتمال جوابهای مختلف را آزمایش و محاسبه میکرد.
خیلی زود کار ساخت Mark 2 آغاز شد که از 2400 لامپ خلأ بهره میبرد. 9 دستگاه از این کامپیوتر تا پایان جنگ به «بلچلی» تحویل شد. کامپیوتر Colossus پیشرفتی چشمگیر در مهندسی الکترونیک بود و اگرچه تنها برای یک هدف ساخته شده بود، امکان «برنامهریزی» محدود آن نیز وجود داشت.
نخستین کامپیوتر چندکاره
همزمان با کارهای مهندسان و دانشمندان انگلیسی، گروههای تحقیقاتی مختلف در آمریکا نیز کار روی کامپیوترها را آغاز کرده بودند؛ اما آنجا هم پیشرفت کار با ورود آمریکا به صحنه جنگ کند شد. با وجود این، دستاوردهایی که به شکل موازی و مستقل به دست آمده بودند در دستگاهی واحد موسوم به «ماشینحساب و انتگرالگیر عددی الکترونیکی» یا به اختصار «انیاک» (ENIAC) به اوج خود رسید.
دقیقا در سال 1943 که فلاورز کار روی Colossus Mark 1 را به پایان رساند، کار ساخت ENIAC به عنوان نخستین کامپیوتر چندکاره دنیا با قابلیت بازآرایی برای انجام طیف گستردهای از وظایف توسط «جان موچلی» (John Mauchly) و «جی. پرسپر ایکارت» (J Presper Eckart) در دانشگاه پنسیلوانیا آغاز شد. انیاک دستگاهی 30 تنی با پردازندهای تمام الکترونیکی متشکل از 18هزار لامپ خلأ بود که با توانایی انجام 5000 محاسبه در ثانیه، هزار بار سریعتر از تمام کامپیوترهای قبلی بود.
برنامهنویسی مجدد (Reprogramming) انیاک در ابتدا نیازمند تغییر فیزیکی سیمکشی اجزای آن بود، اما در سال 1948 و به پیشنهاد دانشمند مجارستانی-آمریکایی «جان فوننویمان» (John von Neumann) طراحان انیاک خیلی زود به راهحل «برنامه ذخیره شده» (Stored Program) روی آوردند که در آن، دستورات بازآرایی دستگاه از پیش روی «جدول عملکرد» (Function Table) ذخیره میشد.
برنامههای ذخیره شده جهش بزرگی رو به جلو بود و سال 1952، برنامهنویسی به نام «گریس هوپر» (Grace Hooper) نخستین «کامپایلر» را اختراع کرد؛ برنامهای کامپیوتری که میتوانست دستورات نوشته شده به «زبان برنامهنویسی» را به کد دودویی (باینری) قابل فهم برای دستگاه ترجمه کند. اختراع کامپایلر کار برنامهنویسی را بسیار تسهیل کرد و ارمغانآور عصری بود که اجرای برنامههای مشابه روی ماشینهایی با طراحیهای مختلف امکانپذیر بود.
طی دهه 1950، کامپیوترها راه خود را از آزمایشگاهها به بازار تجاری باز کردند. ترانزیستورهای الکترونیکی شروع به جایگزینی لامپهای خلأ بزرگ، داغ و غیرقابل اعتماد کردند و سال 1953، نخستین کامپیوتر ترانزیستوری در دانشگاه منچستر فعالیت خود را آغاز کرد.
البته هنوز راهی طولانی تا آغاز عصر تبلتها و گوشیهای هوشمند باقیمانده بود، اما شاید آخرین دستاورد مهم در اواخر دهه 1950 به دست آمد: ساخت مدارهای مجتمع فشرده (IC) توسط «جک کیلبی» (Jack Kilby). با ساخت آی.سیها راه برای کوچکسازی کامپیوترها هموار شد. از اینجا به بعد، بشر دیگر میدانست چگونه کامپیوتر بسازد و داستان ساخت ماشینهای محاسب، به داستان دائمی کوچک کردن اندازه و افزایش قدرت محاسباتی تبدیل شد.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزشهای زیر نیز به شما پیشنهاد میشوند:
- مجموعه آموزشهای دروس علوم و مهندسی کامپیوتر
- مجموعه آموزشهای ریاضیات
- جستجوی گوگل چگونه کار می کند؟
- کامپیوتر کوانتومی — به زبان ساده
- معرفی رشته علوم کامپیوتر — از تحصیل تا اشتغال
^^
جالب بود
بسیار کامل بود.ممنون از شما
بسیار جامع کامل و مطالب مفید بود
ممنون
بسیار زیبا و شیوا و جامع بود استاد عزیز .
ممنون از زحمات و مطالب شما
خیلی ممنون
بسیار جامع و کامل
با سلام و احترام
بسیار مطالب جامعی بود و ویدیو هم بیان خوبی داشت
ممنون
ویدیوی خوبی بود و بیان جالبی داشت. با سپاس از به اشتراک گذاری
با سلام
ممنون بابت اطلاعات جالبتون
عالی
با سلام
ممنون بابت اطلاعات جالبتون