Computer Science: Electronic Computing

Tiếp tục series computer science chúng ta sẽ thử tìm hiểu về Electronic Computing nha.

Thế kỷ 20, nơi các thiết bị tính toán có mục đích đặc biệt ban đầu như "tabulating machines" là một lợi ích to lớn cho các chính phủ và doanh nghiệp. Hỗ trợ và đôi khi thay thế, các công việc thủ công thuộc lòng. Nhưng quy mô của hệ thống con người tiếp tục tăng với tốc độ chưa từng thấy.

Nửa đầu thế kỷ 20 dân số thế giới tăng gần gấp đôi. Mạng lưới thương mại và vận chuyển toàn cầu trở nên kết nối với nhau hơn bao giờ hết và sự tinh vi trong các nỗ lực kỹ thuật và khoa học của chúng tôi đạt đến tầm cao mới.
Chúng ta thậm chí còn bắt đầu xem xét nghiêm túc việc đến thăm các hành tinh khác, và chính sự bùng nổ của sự phức tạp hóa, quan liêu và cuối cùng là dữ liệu, đã thúc đẩy nhu cầu tự động hóa và tính toán ngày càng tăng.
Chẳng bao lâu những chiếc máy tính cơ điện cỡ tủ này đã phát triển thành những chiếc máy tính khổng lồ cỡ phòng, tốn kém để bảo trì và dễ bị lỗi. Và chính những cỗ máy này sẽ tạo tiền đề cho sự đổi mới trong tương lai.

Một trong những ứng dụng sớm nhất cho công nghệ này là chạy mô phỏng cho Dự án Manhattan.

Bộ não của những con quái vật điện cơ khổng lồ này là rơ le (relays): công tắc cơ học được điều khiển bằng điện. Trong rơ le có dây điều khiển xác định đóng hay mở mạch. Dây điều khiển kết nối với một cuộn dây của rơ le. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, một trường điện từ được tạo ra, trường điện từ này sẽ thu hút một cánh tay kim loại bên trong rơ le, đóng nó lại và hoàn thành mạch điện.Bạn có thể nghĩ về một rơ le giống như một vòi nước. Sau đó, mạch được điều khiển có thể kết nối với các mạch khác hoặc với một cái gì đó như động cơ có thể tăng số đếm trên một bánh răng, như trong tabulating machine  của Hollerith.

Thật không may, cánh tay cơ học bên trong rơ le có khối lượng, và do đó không thể di chuyển ngay lập tức giữa trạng thái mở và đóng. Một rơ le tốt vào những năm 1940 có thể nhấp nháy qua lại năm mươi lần trong một giây, điều này có vẻ khá nhanh nhưng nó không đủ nhanh để hữu ích trong việc giải quyết các vấn đề lớn.

The Harvard Mark I có thể thực hiện 3 phép cộng hoặc phép trừ mỗi giây, phép nhân mất 6 giây và phép chia mất 15 giây,và phép toán phức tạp hơn, chẳng hạn như một hàm lượng giác có thể mất hơn một phút. Ngoài tốc độ chuyển đổi chậm, một hạn chế khác là hao mòn. Bất cứ thứ gì cơ học chuyển động sẽ hao mòn theo thời gian. Một số thứ bị hỏng hoàn toàn, và những thứ khác bắt đầu trở nên dính, chậm và đơn giản là không đáng tin cậy. Và khi số lượng rơ le tăng lên, xác suất hỏng hóc cũng tăng lên. The Harvard Mark I có khoảng 3500 rơ le,ngay cả khi bạn giả sử một rơ le có tuổi thọ hoạt động là 10 năm, điều này có nghĩa là bạn phải thay thế, trung bình một rơ le bị lỗi mỗi ngày! Đó là một vấn đề lớn khi bạn đang chạy một số phép tính quan trọng trong nhiều ngày.

Và đó không phải là tất cả các kỹ sư phải đấu tranh. Những cỗ máy khổng lồ, tối tăm và ấm áp này. cũng thu hút côn trùng. Vào tháng 9 năm 1947, những người điều khiển The Harvard Mark II đã kéo một con bướm đêm chết từ một rơ le bị trục trặc. Grace Hopper lưu ý:

Rõ ràng là cần phải có một giải pháp thay thế nhanh hơn, đáng tin cậy hơn cho rơ le điện cơ nếu tính toán ngày càng tiến xa hơn và may mắn thay, giải pháp thay thế đó đã tồn tại. Năm 1904, nhà vật lý người Anh John Ambrose Fleming đã phát triển một thành phần điện mới gọi là van Thermionic, được đặt hai điện cực bên trong bóng đèn thủy tinh kín khí, đây là ống chân không đầu tiên (c). Một trong các điện cực có thể bị đốt nóng, khiến nó phát ra các điện tử - một quá trình gọi là phát xạ nhiệt. Điện cực kia sau đó có thể hút các electron này để tạo ra dòng chảy của vòi điện của chúng ta, nhưng chỉ khi nó được tích điện dương - nếu nó có điện tích âm hoặc trung tính, các electron sẽ không còn bị hút qua chân không nữa nên không có dòng điện chạy qua. Một thành phần điện tử cho phép dòng điện một chiều được gọi là Diode. nhưng thứ thực sự cần là một công tắc để giúp bật và tắt luồng này.

May mắn thay, ngay sau đó vào năm 1906, nhà phát minh người Mỹ Lee de Forest đã thêm một điện cực "điều khiển" thứ ba nằm giữa hai điện cực trong thiết kế của Fleming. Bằng cách đặt một điện tích dương vào điện cực điều khiển, nó sẽ cho phép dòng electron như trước đây. Nhưng nếu điện cực điều khiển được mang điện tích âm, nó sẽ ngăn cản dòng chảy của các electron. Vì vậy, bằng cách thao tác với dây điều khiển, người ta có thể mở hoặc đóng mạch. Vì vậy, bằng cách điều khiển dây điều khiển, người ta có thể mở hoặc đóng mạch. Nó khá giống với một rơ le - nhưng quan trọng là ống chân không không có bộ phận chuyển động. Điều này có nghĩa là chúng ít bị mài mòn hơn và chúng có thể chuyển đổi hàng nghìn lần mỗi giây Các ống chân không triode này sẽ trở thành cơ sở của radio, điện thoại đường dài và nhiều thiết bị điện tử khác trong gần nửa thế kỷ.

Các ống chân không không hoàn hảo - chúng mỏng manh và có thể cháy như bóng đèn, chúng là một cải tiến lớn so với rơ le cơ học. Ngoài ra, ban đầu ống chân không đắt tiền - một bộ radio thường chỉ sử dụng một, nhưng một máy tính có thể yêu cầu hàng trăm hoặc hàng nghìn công tắc điện. nhưng đến những năm 1940, chi phí và độ tin cậy của chúng đã được cải thiện đến mức chúng trở nên khả thi để sử dụng trong máy tính

Việc sử dụng ống chân không để tính toán trên quy mô lớn đầu tiên là Colossus Mk 1 do kỹ sư Tommy Flowers thiết kế và hoàn thành vào tháng 12 năm 1943. Colossus được lắp đặt tại Công viên Bletchley, ở Anh và giúp giải mã thông tin liên lạc của Đức Quốc xã

Điều này nghe có vẻ quen thuộc vì hai năm trước Alan Turing, thường được gọi là cha đẻ của ngành khoa học máy tính, đã tạo ra một thiết bị cơ điện, cũng tại Bletcheley Park, được gọi là BOMBE. Đó là một cỗ máy cơ điện được thiết kế để phá mã Enigma của Đức Quốc xã, nhưng về mặt kỹ thuật thì BOMBE không phải là một máy tính.

Phiên bản đầu tiên của Colossus Mark I chứa 1.600 ống chân không và tổng cộng có mười Colossi được chế tạo để giúp phá mã. Colossus được coi là máy tính điện tử lập trình được đầu tiên. Việc lập trình được thực hiện bằng cách Cắm hàng trăm sợi dây vào các Bảng cắm, giống như các tổng đài điện thoại của trường học cũ để thiết lập máy tính thực hiện các thao tác phù hợp.

Vì vậy, trong khi "Có thể lập trình"(Programmable), nó vẫn phải được định cấu hình để thực hiện một phép tính cụ thể

The Electronic Numerical Integrator and Calculator- hay ENIAC được hoàn thành sau đó vài năm vào năm 1946 tại Đại học Pennsylvania. Được thiết kế bởi John Mauchly và J.Presper Eckert, đây là máy tính điện tử có mục đích chung thực sự đầu tiên trên thế giới. ENIAC có thể thực hiện 5000 phép cộng hoặc phép trừ mười chữ số mỗi giây, nhanh hơn nhiều lần so với bất kỳ máy nào trước đó. Nó đã hoạt động trong mười năm, và ước tính đã thực hiện nhiều số học hơn toàn bộ loài người cho đến thời điểm đó. Nhưng với nhiều lỗi ống chân không đó là phổ biến và ENIAC thường chỉ hoạt động trong khoảng nửa ngày trước khi hỏng

Đến năm 1950, máy tính dựa trên ống chân không thậm chí đã đạt đến giới hạn của nó.

Để giảm chi phí và kích thước, cũng như cải thiện độ tin cậy và tốc độ, một công tắc điện tử mới sẽ là cần thiết. Năm 1947, các nhà khoa học John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley của Phòng thí nghiệm Bell đã phát minh ra bóng bán dẫn và cùng với đó, một kỷ nguyên máy tính hoàn toàn mới đã ra đời! Vật lý đằng sau bóng bán dẫn khá phức tạp, dựa trên cơ học lượng tử, vì vậy chúng ta sẽ bám sát những điều cơ bản. 

Bóng bán dẫn cũng giống như một rơ le hoặc ống chân không - đó là một công tắc có thể được mở hoặc đóng bằng cách sử dụng nguồn điện thông qua dây điều khiển. Thông thường, các bóng bán dẫn có hai điện cực được ngăn cách bởi một vật liệu mà đôi khi có thể dẫn điện, và những lần khác lại chống lại nó - chất bán dẫn trong trường hợp này, dây điều khiển gắn vào một điện cực "cổng". Bằng cách thay đổi điện tích của cổng, có thể điều chỉnh độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn, cho phép dòng điện chạy qua hoặc dừng lại (hơi phức tạp nhỉ ^^ )

Ngay cả bóng bán dẫn đầu tiên tại Bell Labs đã cho thấy một hứa hẹn to lớn - nó có thể chuyển đổi giữa các trạng thái bật và tắt 10.000 lần mỗi giây. Hơn nữa, không giống như các ống chân không làm bằng thủy tinh và với các thành phần lơ lửng cẩn thận, dễ vỡ, bóng bán dẫn là vật liệu rắn được biết đến như một thành phần trạng thái rắn. Gần như ngay lập tức, các bóng bán dẫn có thể được làm nhỏ hơn so với rơ le hoặc ống chân không nhỏ nhất có thể. Điều này dẫn đến các máy tính nhỏ hơn và rẻ hơn đáng kể, như IBM 608, được phát hành vào năm 1957 - chiếc máy tính thương mại hoàn toàn chạy bằng bóng bán dẫn đầu tiên. Nó chứa 3000 bóng bán dẫn và có thể thực hiện 4.500 phép cộng, hoặc khoảng 80 phép nhân hoặc chia, mỗi giây. IBM đã sớm chuyển đổi tất cả các máy tính của mình, đưa các máy tính dựa trên bóng bán dẫn vào các văn phòng và cuối cùng là các ngôi nhà

Ngày nay, máy tính sử dụng các bóng bán dẫn có kích thước nhỏ hơn 50 nanomet - để tham khảo, một tờ giấy dày khoảng 100.000 nanomet. Chúng không chỉ cực kỳ nhỏ mà còn siêu nhanh - chúng có thể chuyển đổi trạng thái hàng triệu lần mỗi giây và có thể chạy trong nhiều thập kỷ.

Rất nhiều sự phát triển bóng bán dẫn và chất bán dẫn này đã xảy ra ở Thung lũng Santa Clara, Giữa San Francisco và San Jose, California. Vì vật liệu phổ biến nhất được sử dụng để tạo ra chất bán dẫn là sillicon, khu vực này sớm được biết đến với tên gọi Thung lũng Sillicon, Ngay cả William Shockley cũng chuyển đến đó, thành lập Shockley Semiconductor, các nhân viên của họ sau này thành lập Fairchild Semiconductors, những nhân viên của họ sau này đã thành lập Intel- nhà sản xuất chip máy tính lớn nhất thế giới hôm nay.