Historie počítačů IV. – poválečná generace

3. 12. 2008

První počítačová generace

Na Valentýna 1946 se ve Spojených státech zrodil praotec počítačů, sálový ENIAC. Oficiálně šlo o první univerzální počítač: sedmadvacet tun kovu, elektronek, diod, relátek, rezistorů a kondenzátorů dokázalo vynásobit dvě deseticiferná čísla za tři milisekundy.

ENIAC odstartoval první počítačovou generaci. Každý její příslušník byl unikát. Po ENIACu následovali americký EDVAC, britské EDSAC a Manchester Mark I, australský CSIRAC, bratrské SEAC a SWAC na obou amerických pobřežích ... Každý stroj byl jedinečný a originální, cena jejich vývoje se pohybovala kolem půl milionu dolarů, sestavení jednoho počítače trvalo až několik let. Kapacitu na podobné zakázky měly pouze dvě instituce: armáda a univerzity. Podle typu zadavatele tak počítače dávaly dohromady dělostřelecké tabulky nebo seznam prvočísel a odmocnin. První významnější komerční stroj, UNIVAC, se začal prodávat v roce 1951. Za cenu lehce přes milion dolarů se ho prodalo 46 kusů.

UNIVAC 1 – první komerčně úspěšný počítač. Prodalo se 46 kusů po miliónu dolarů

Přestože brzy začalo být zřejmé, že vývoj směřuje k univerzálním digitálním počítačům, předvídat detaily nebylo možné. Každá součástka se musela od základu navrhnout, otestovat, integrovat se zbytkem stroje. Technologie mohly být i tak rozdílné, jako třeba v oblasti pamětí – vedle sebe existovala magnetická paměť s rotačním bubnem, paměť s Williamsovou trubicí a rtuťová paměť se zpožďovací linkou. Tři naprosto odlišné technologie, první založená na elektromagnetickém, druhá na elektrickém, třetí na mechanickém principu.

CRT displej Williamsovy trubice neboli zobrazený obsah paměti. Svítící body představují binární jedničky, ostatní nuly

Kodexem pro konstruktéry budoucích počítačů se stala zpráva o ENIACu amerického inženýra maďarského původu von Neumanna z roku 1946. Definovala několik oddělených součástí: řídící jednotku, aritmeticko-logickou jednotku, oddělenou paměť a periferie pro vstup a výstup. Starší modely takřka bez výjimky počítaly s programem zadrátovaným v počítači. Návrh von Neumannovy architektury počítá s tím, že instrukce jsou společně s daty uloženy v paměti. Díky tomu se stal počítač programovatelným, tedy skutečně univerzálním.

Elektronické vakuové srdíčko

Označování počítačových generací přímo souvisí s vývojem toho, co von Neumann označil jako řídící jednotku a aritmeticko-logickou jednotku. V rámci stroje sice byly odděleny, ale používaly stejnou technologii. U mechanických počítačů (například Zuseho Z1) to byly kovové plíšky, u elektromechanických relátka. Tyto materiály bývají označovány jako nultá generace digitálních počítačů.

První generaci odstartovaly elektronky. Český název malinko zastírá jejich funkci, lépe ji vystihuje ten anglický: „vacuum tube“ se dá přeložit jako „vakuová trubice“. Skleněný obal nejjednodušší elektronky obsahuje technické vakuum, katodu v podobě žhavicícho vlákna, plíšek anody a na elektrody napojené vodivé dráty. Při zahřátí žhavicího vlákna dochází k emisi elektronů, ty jsou přitahovány na kladně nabitou anodu a proud prochází jedním směrem. Připojením ke zdroji tedy dokáže elektronka usměrňovat proud. Jde o diodu. Objev elektronky v roce 1904 je přisuzován anglickému fyzikovi Johnu Flemingovi.

Elektronka – stavební prvek první generace

Pomocí dvou diod napojených na rezistor není těžké simulovat základní binární logiku (logické AND a OR brány). Primitivní diodová nebo diodo-rezistorová logika je ovšem velmi omezená jak ve svých výpočetních možnostech, tak v konstrukci: rozměry elektronky se udávají v centimetrech, celá brána včetně napájení v decimetrech, primitivní logický obvod pak v metrech. Každá elektronka využívá zdroje s desítkami voltů, takže první počítače potřebovaly pro svůj provoz energii malé elektrárny.

Také poruchovost zůstávala vysoká. Naopak jasnou výhodu oproti předchozím technologiím (zcela nebo částečně mechanickým) představovala mnohořádově vyšší rychlost. Zatímco relátkový Z3 z roku 1941 běžel na frekvenci 5 až 10 Hz (tedy instrukcí za sekundu), základní frekvence elektronického ENIACu z roku 1946 dosahovala 100 kHz (dnešní počítače pracují s jednotkami GHz) .

Americký počítač Atanasoff-Berry (sestrojený 1942) a britský Colossus (1943) byly první dva stroje, postavené na elektronkách. Jejich masové využití ale odstartoval až zmíněný ENIAC v roce 1946. Sedmnáct a půl tisíce elektronek v něm spolupracovalo se sedmi tisíci krystalových diod, patnácti sty relátek a sedmdesáti tisíci rezistorů. Ke svému provozu ovšem potřeboval 150 kW energie a ani s poruchovostí na tom nebyl růžově. Vzhledem k praskajícím elektronkám strávil téměř polovinu svého raného života v servisu. Později se podařilo vyvinout odolnější elektronky a počítač vydržel bez poruchy i pět dní v řadě.

První funkční prototyp tranzistoru uviděl svět už v roce 1947.

Směr budoucímu vývoji ovšem neudávaly elektronkové diody. Pozdější počítače pracovaly s elektronkovými triodami, tedy elektronkami, které obsahovaly tři elektrody místo dvou. První dvě pracovaly klasickým způsobem, třetí svým vlastním napětím povolovala a zakazovala přenos elektronů z katody na anodu. Dohromady dokázaly vytvořit logickou bránu, ke které byly jinak potřeba dvě elektrodové diody, a tak ušetřily spoustu místa i energie. Logiku fungování elektronkové triody později přesně napodobily tranzistory, tedy základ počítačů pozdějších generací.

Slepé cesty

Druhou oblastí, ve které konstruktéři dlouho tápali, byla paměť počítače. Zpočátku se s ní ani nijak vážně nepočítalo. Do stroje se prostě vložil papírový štítek s dírkami představujícími zadání, na druhé straně vypadl štítek s výsledkem. Technologie druhé světové války – papírová páska – přinesla větší rychlost, ale nízkou spolehlivost. Tato média se navíc hodila pouze pro trvalý záznam dat. Zlom nastal až s přijetím von Neumannovy architektury a konstrukcí univerzálních počítačů. Inženýři se pustili do zoufalého hledání technologie, která by dokázala udržet program i data na delší dobu a zároveň s nimi uměla pracovat.

Z tohoto úhlu pohledu se bubnová paměť zrodila trošku předčasně. Podařilo se ji implementovat už u Atanasoff-Berryho počítače v roce 1941, kdy ale nenašla plnohodnotné využití. To přišlo až v roce 1949 v rámci počítače Manchester Mark I. Princip bubnové paměti je jednoduchý a v zásadě stejný, jaký používají dnešní pevné disky: kovový válec s vrstvičkou feromagnetického materiálu na povrchu rotuje pod dohledem několika magnetických hlav, schopných čtení a zápisu. Rychlost otáčení bubnu pak určuje rychlost čtení a zápisu do paměti. Jen pro orientaci: první bubnová paměť používala místo feromagnetické vrstvičky obnovitelné kondenzátory a otáčela se jednou za sekundu.

Bubnová paměť počítače ABC. Výstupky na povrchu jsou kondenzátory, jejichž nabíjením a vybíjením se uchovává informace

V červnu 1948 spustili v britském Manchesteru experimentální počítač s přezdívkou Baby, tedy Batole. Jeho hlavním účelem byl test nového druhu paměti, Williamsovy trubice. Ta využívá jevu zvaného sekundární emise, informace jsou zaznamenány na povrchu trubice. Celý povrch trubice pak představoval paměť s jednotlivými body coby bity. Záznam ovšem vydržel jen zlomek sekundy a přečtením je odstraněn, proto se práce s takovou pamětí pohybuje v cyklech čtení-psaní. Tyto nevýhody, spolu s nízkou kapacitou, spolehlivostí a „stárnutím“ trubice, ji oproti ostatním metodám záznamu znevýhodňovaly.

Zbývá poslední kousek. Z daných tří typů paměti nejpomalejší, z hlediska dalšího vývoje počítačů asi nejbizarnější – paměť se zpožďovací linkou. Byl jí vybaven americký počítač EDVAC, sestavený v srpnu 1949. Původně šlo o válec naplněný rtutí, ke kterému vedly kontakty z CPU počítače. Elektrický signál na vstupu byl převeden na mechanickou vlnu, která se ve rtuti pomalu šířila. Tímto způsobem se dalo do rtuti uvést mnoho signálů zároveň. Po dosažení konce nádoby se rtutí byl signál opět přenesen na začátek, takže informace nezanikala. Při práci s pamětí ovšem docházelo k velikým prodlevám, způsobeným čekáním na plovoucí signál.

Paměť se zpožďovací linkou, využívající tekutého olova, použitá na počítači Manchester Mark I

První funkční prototyp tranzistoru uviděl svět už v roce 1947. Cesta k praktickému využití v počítačích byla ale ještě dlouhá. Na počítače postavené z tranzistorů se můžete těšit až v dalším díle našeho seriálu.

Časová osa:

1904 – vynález oscilačního válce, pozdější elektronky (John Fleming, UK)
1932 – magnetická paměť (Gustav Tauschek, Rakousko)
1942 – první elektronický počítač ABC (Atanasoff a Berry, USA)
1944 – dešifrovací počítač Colossus (Newman a Flowers, UK)
1945 – návrh von Neumannovy architektury (John von Neumann, USA)
1945 – paměť se zpožďovací linkou (Presper Eckert, USA)
1946 – Williamsova trubice (Williams a Kilburn, UK)
1946 – počítač ENIAC (Mauchly a Eckert, USA)
1947 – vynález tranzistoru (Shockley, Bardeen a Brattain, Bell Labs, USA)
1949 – počítač EDVAC, naplnění von Neumannovy architektury (Mauchly, Eckert a von Neumann, USA)
1949 – počítač Manchester Mark I (firma Ferranti a Univerzita v Manchestru, UK)
1951 – první úspěšný komerční počítač UNIVAC 1 (Mauchly a Eckert, USA)
1953 – vynález paměti s feritovým jádrem (Jay Forrester, USA)
1953 – první počítač používající tranzistory (Univerzita v Manchestru, UK)

Článek vychází z časopisu Extra PC