Computer Science: Early Computing

Đây là series đầu tiên của mình trên spiderum và cũng là bài viết đầu tiên của mình trên spiderum mặc dù đã tham gia cộng đồng này được hơn 1 năm. Hi vọng rằng series này sẽ mang lại cái nhìn tổng quan hơn cho mọi người về ngành Computer Science, một ngành theo mình cho là the future of The World 

Bắt đầu từ những bit, bytes, transistors và cổng logci (logic gates) cho đến các hệ điều hành (Operating Systems), Thực tế ảo (Virtual Reality) và Robots

Computers chính là huyết mạch của thế giới hôm nay. Nếu computers đột ngột bị ngắt đi, các lưới điện sẽ bị sập , ô tô sẽ mất phương hướng và gây ra tai nạn, máy bay sẽ rơi, nhà máy nước sẽ dừng hoạt động, thị trường chứng khoán sẽ đóng băng, xe tải trở thực phẩm sẽ không biết nơi để giao đến , và nhân viên sẽ không được trả lương.

Hay nhưng bộ quần áo hay cả ghế và cái quạt mình đang dùng làm ra bởi các nhà máy được điều hành bởi computers

Computer thực sự đang thay đổi toàn bộ cuộc sống của chúng ta và cả thế giới. Nhưng đây không phải lần đầu tiên chúng ta thấy thứ gì đó như này. Những tiến bộ trong sản xuất trong Cuộc Các Mạng Công Nghiệp đã mang lại một mô hình mới cho nền văn minh nhân loại, trong nông nghiệp, công nghiệp và ngay cả đời sống gia đình. Cơ giới hóa nghĩa mang lại việc thu hoạch vượt trội và nhiều lương thực hơn, hàng hóa được sản xuất hàng loạt, đi lại và liên lạc rẻ hơn và có một chất lượng sống tốt hơn. 

Computing technology đang làm điều tương tự bây giờ từ việc canh tác tự động và thiết bị  y tế cho tới Viễn Thông toàn cầu, các cơ hội về Giáo Dục và những công nghệ mới như là Thự Tế Ảo , Lái Xe Tự Động (Self Driving Cars ).

Chúng ta đang sống trong một thời kỳ có thể nhớ đến là Thời Đại Điện Tử (The Electronic Age). Với hàng tỉ transistors ở trong smart phone của bạn. Computers có thể trông rất phức tạp nhưng chúng thực sự chỉ là một cỗ máy đơn giản thực hiện các hành động phức tạp thông qua nhiều lớp trừu tượng. 

Khởi nguồn từ thiết bị cho việc tính toán là Abacus

 Được phát minh tại  Mesopotamia vào khoảng 2500 trước công nguyên. Về cơ bản thì nó là một máy tính vận hành bằng tay, giúp trong việc cộng trừ nhiều số. Nó cũng lưu trữ trạng thái hiện tại của tính toán giống như ổ cứng của bạn ngày nay. Abacus được tạo ra bởi vì quy mô của xã hội ngày càng lớn, có thể có một nghìn người ở một ngôi làng hoặc mười nghìn người tại lâu đài. Do đo việc ghi nhớ và tính toán dân số sẽ rất khó nếu không có Abacus. 

Khoảng bốn nghìn năm  tiếp theo, con người đã phát triển các loại thiết bị khác lên một tầm cao hơn điển hình như Astrolabe , nó giúp các con tàu  tính toán được vĩ độ của chúng trên biển. 

                               một video giải thích khá kỹ về Astrolable 

Hay Thước Loga (Slide Rule) để hỗ trợ phép nhân , phép chia và thực sự có hàng trăm kiểu đồng hồ  được tạo ra để tính toán mặt trời mọc,hủy triều, vị trí của các thiên thể và thậm chí chỉ thời gian. Mỗi thiết bị đã tạo ra thứ mà trước đây phải dùng nhiều công sức để tính toán nhanh hơn, dễ dàng hơn và thường chính xác hơn. Nó giảm bới rào cản để xâm nhập và đồng thời  khếch đại khả năng  tinh thần của chúng ta. 

Nhưng  tất cả thiết bị trong số này không được gọi là "Computer".

Từ "Computer" đã được ghi nhận sớm nhất từ năm 1613 trong cuốn sách của Richard Braithwait. Computer lúc đó đươc sử dụng không để ám  chỉ một cỗ máy,  nó dùng để ám chỉ chức danh công việc. Vào lúc đó computer là một người thực hiện các phép tính , đôi khi được máy móc trợ giúp nhưng thông thường là không 

Chức danh công việc này đã tồn tại cho đến năm 1800 khi ý nghĩa của công việc này bắt chuyển sang dùng để chỉ các thiết bị. Đáng chú ý nhất trong số các thiết bị này Step Reckoner được xây dựng bởi nhà thông thái người đức Gottfried Leibniz vào năm 1964.

Nó hoạt động giống như đồng hồ đo đường trong ô tô của bạn, thực chất chỉ là một cỗ máy tính số dặm mà xe đã đi.Thiết bị có một loạt các bánh răng quay, mỗi bánh răng có mười răng, đại diện cho các chữ số từ 0 đến 9.Bất cứ khi nào một bánh răng vượt qua số chín, nó sẽ quay trở lại 0 và nâng bánh răng bên cạnh một răng

 

Steeped Reckoner cũng có thể nhân chia các con số. Nó có khả năng tự động nhân chia và cũng là cỗ máy đầu tiên có thể tự động làm bốn phép toán. Cỗ máy này thành công đến nỗi nó đã được sử dùng trong ba thập kỉ tiếp theo cho việc tính toán. 

Thật không may với máy tính cơ học này, hầu hết các bài toán khó nhằn trong hiện thực đều yêu cầu nhiều bước tính toán trước khi xác định được câu trả lời. Nếu sử dụng Steeped Reckoner thì có thể mất hàng giờ hoặc hoặc hàng ngày để tạo ra một kết quả. Ngoài ra những chiếc máy thủ công này rất đắt tiền và hầu hết mọi người đều không thể tiếp cận được.Vì vậy trước thế kỉ 20, hầu hết mọi người đều có kinh nghiệm tính toán thông qua các bảng tính trước tổng hợp (pre-computed tables)  bởi nhưng "máy tính con người" (human computers) mà chúng ta đã nói ở trên.

Tốc độ và chính xác là nhưng điều cực kì quan trọng trên chiến trường và quân đội là một trong những lực lượng đầu tiên áp dụng máy tính vào các bài toán phức tạp.

Một vấn đề khó nhắn trên chiến trường đó là bắn chính xác đạn pháo, mà trong năm 1800 có thể bắn xa trên một cây số (hoặc hơn nửa dặm một chút). Cộng thêm điều kiện khác nhau từ gió, nhiệt độ,
áp suất không khí  thậm chí việc bắn chính xác một con tàu thôi cũng là một điều vô cùng khó khăn.

Range Table được tạo ra cho phép các pháo thủ tra cứu điều kiện môi trường và khoảng cách muốn bắn, đồng thời bảng sẽ cho họ biết góc để đặt pháo. Các Range Table hoạt động rất tốt. Chúng đã được sử dụng tốt trong thế chiến thứ hai

Vấn đề ở đây là nếu bạn thay đổi thiết kế của khẩu pháo hoặc của đạn pháo, một bảng hoàn toàn mới sẽ phải được tính toán, điều này rất tốn thời gian và chắc chắn dẫn đến nhiều sai sót.

Charles Babbage nhìn nhận được vấn đề này vào năm 1822 trong một bài báo cho Hiệp Hội Thiên Văn Hoàng gia với tên gọi: "Lưu ý về việc áp dụng máy móc vào tính toán thiên văn và bảng"

Charles Babbage đã đề xuất một cỗ máy mới với tên gọi là Difference Engine"  một cỗ máy phức tạp hơn nhiều có thể tính toán gần đúng các đa thức .Babbage bắt đầu được xây dựng vào năm 1823, và trong hai thập kỷ sau đó, đã cố gắng chế tạo và lắp ráp 25.000 thành phần. tổng trọng lượng khoảng 15 tấn.

Thật không may, dự án cuối cùng đã bị bỏ rơi, nhưng vào năm 1991 các nhà sử học đã hoàn thành việc xây dựng Difference Engine dựa trên bản vẽ và bài viết của Babbage, và nó thực đã hoạt động.

Nhưng quan trọng hơn, trong quá trình xây dựng Difference Engine, Babbage đã tưởng tượng ra một cỗ máy thậm chí còn phức tạp hơn - Analytical Engine  

Không giống như Difference Engine, Step Reckoner và tất cả các thiết bị tính toán khác trước nó - Analytical Engine  là một "máy tính nhiều mục đích". Nó có thể dùng cho nhiều thứ không chỉ tính toán cụ thể, nó có thể làm được, có thể đưa ra dữ liệu vận hành các hoạt động theo trình tự , có bộ nhớ và thậm chí là một máy in nguyên thủy,

Giống như Difference Engine, nó đã đi trước thời đại của mình và không bao giời được xây dựng một cách hoàn thiện.

Tuy nhiên, ý tưởng về một "máy tính tự động", có thể tự hướng dẫn bản thân thực hiện một loạt hoạt động một cách tự động, là bước tiến lớn và sẽ báo trước cho việc lập trình máy tính.

Nhà toán học người anh Ada Lovelace đã viết lập trình giả định cho Analytical Engine nói rằng: 

Với công việc của mình, Ada thường được coi là lập trình viên đầu tiên trên thế giới (The first programmer in The World)

Analytical Engine đã truyền cảm hứng cho thế hệ đầu tiên của các nhà khoa học máy tính, nhiều người đã kết hợp nhiều ý tưởng của Babbage trong những chiếc máy của họ. Đây cũng là lý do tại sao Babbage thường được coi là "cha đẻ của tính toán".

Vì vậy, vào cuối thế kỷ 19, các thiết bị máy tính được sử dụng cho các nhiệm vụ mục đích đặc biệt trong khoa học và kỹ thuật, nhưng hiếm khi được nhìn thấy trong kinh doanh, chính phủ hoặc cuộc sống gia đình.

Tuy nhiên, chính phủ Hoa Kỳ phải đối mặt với một vấn đề nghiêm trọng đối với cuộc điều tra dân số năm 1890 yêu cầu loại kết quả mà chỉ máy tính mới có thể cung cấp.

Hiến pháp Hoa Kỳ yêu cầu một cuộc điều tra dân số được tiến hành mười năm một lần, nhằm mục đích phân phối quỹ liên bang, trong đại hội, và những thứ như thế. Và đến năm 1880, dân số Hoa Kỳ bùng nổ, chủ yếu là do nhập cư, cuộc điều tra dân số này mất bảy năm để biên soạn thủ công và đến khi hoàn thành, nó đã lỗi thời - và người ta dự đoán rằng cuộc điều tra dân số năm 1890 sẽ mất 13 năm để tính toán.

Cục điều tra dân số đã đến tìm Herman Hollerith, người xây dựng máy tính bảng. Máy của ông là "điện cơ", nó sử dụng các hệ thống cơ học truyền thống để lưu trữ tính toán, như Step Recknoner của Leibntz nhưng kết hợp chúng với các thành phần chạy bằng điện

Máy của Hollerith đã sử dụng thẻ đục lỗ(punch card) là thẻ giấy có mạng lưới các vị trí có thể đục lỗ để biểu diễn dữ liệu. 

Ví dụ, có một loạt các lỗ cho tình trạng hôn nhân. Nếu bạn đã kết hôn, bạn sẽ đục vào lỗ kết hôn, sau đó khi thẻ đã được chèn vào máy của Hollerith, nhưng kim loại nhỏ sẽ dập lên thẻ, nếu một vị trí đã được đục lỗ trong giấy , chiếc ghim sẽ đi qua lỗ trên giấy và vào một lọ thủy ngân nhỏ, điều này đã hoàn thành mạch điện.

Mạch hiện đã hoàn thành này cung cấp năng lượng cho một động cơ điện, làm quay một bánh răng để thêm một bánh răng, trong trường hợp này là tổng số "kết hôn".Máy của Hollerith nhanh hơn khoảng 10 lần so với lập bảng thủ công và cuộc điều tra dân số được hoàn thành chỉ sau hai năm rưỡi - tiết kiệm cho cơ quan điều tra dân số hàng triệu đô la.

Các doanh nghiệp bắt đầu nhận ra giá trị của máy tính và nhận thấy tiềm năng của nó để tăng lợi nhuận bằng cách cải thiện lao động và sử dụng nhiều dữ liệu các nhiệm vụ, như kế toán, thẩm định bảo hiểm và quản lý hàng tồn kho. Để đáp ứng nhu cầu này, Hollerith đã thành lập The Tabulating Machine Company, sau này sáp nhập với các nhà sản xuất máy khác vào năm 1924 để trở thành The International Business Machines Corporation hoặc IBM.

Những "Business machines" điện cơ này đã thành công rực rỡ. chuyển đổi thương mại và chính phủ, và vào giữa những năm 1900. sự bùng nổ dân số thế giới và sự gia tăng của thương mại toàn cầu hóa đòi hỏi các công cụ xử lý dữ liệu nhanh hơn và linh hoạt hơn, tạo tiền đề cho máy tính kỹ thuật số.

(còn tiếp)

Nguồn tham khảo: