16 tháng 10, 2014

Lịch sử phát triển của máy tính?


Từ khi con người có những manh nha về nhu cầu tính toán, phát minh ra bàn tính, máy tính cơ học... cho đến những máy tính điện tử số đầu tiên đã đánh dấu những bước ngoặt lịch sử quan trọng trong lịch sử phát triển của máy tính. Chúng ta có thể tự hỏi: Lịch sử tôn vinh ai?? 

Hàng trăm loại máy tính khác nhau đã được thiết kế và chế tạo trong suốt quá trình phát triển máy tính điện tử số. Có thể chia quá trình phát triển này thành 4 thế hệ.

1. Thế hệ thứ nhất (1945 - 1955) - Các máy tính dùng đèn điện tử chân không

Đại chiến thế giới thứ 2 đã thúc đẩy việc nghiên cứu máy tính dùng đèn điện tử. Năm 1943 chính phủ Anh đã giao cho nhà toán học nổi tiếng Alan Turing thiết kế máy tính số COLOSSUS nhằm cố gắng giải mã các bức điện của quân đội Đức chuyển cho nhau qua thiết bị mã hóa ENIGMA. Cùng thời gian này, quân đội Mỹ cũng tài trợ cho dự án của J. Presper Eckert và John Mauchley ở trường Đại học tổng hợp Pennsylvania xây dựng một máy tính điện tử đa năng (general-purpose computer) đầu tiên trên thế giới gọi là ENIAC (Electronic Numerical Intergrator and Calculator). Đây là một cỗ máy khổng lồ, dài tới 30,48m và cao 2,5m. Máy nặng 30 tấn và tiêu thu công suất lên tới 140kW bởi 18.000 đèn điện tử chân không và 1.500 rơ-le. Máy có 20 thanh ghi, mỗi thanh ghi có thể lưu trữ một số thập phân 10 chữ số. Máy được lập trình bằng 6.000 chuyển mạch nhiều vị trí và vô số đế cắm và cấp nối. Nếu so sánh với các máy tính hiện nay, ENIAC lớn hơn đến 3 bậc về kích thước nhưng lại chậm hơn đến 5 bậc về tốc độ tính toán; thí dụ một phép cộng ở đó phải được thực hiện đến chừng 200 micro giây. Chương trình được nhập vào bằng cách cắm các đầu cáp nối và đặt công tắt, do vậy mất đến hàng ngày để thực hiện các thao tác này. Sau khóa học mùa hè năm 1946 mô tả các công việc này là sự phát triển ồ ạt trong việc thiết kế các máy tính số cỡ lớn. Đó là các máy tính EDSAC (1949) tại Đại học Cambridge, Anh), JOHNIAC ở Công ti Rand, ILLIAC ở Đại học Illinois, MANIAC ở phòng thí nghiệm Los Alamos (Mỹ) và WEIZAC tại Học viện Weizmann (Israen). Trong thời gian này, John Von Neumann và nhóm ENIAC đã thiết kế một phiên bản EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Đây là máy tính đầu tiên cải tiến cách nhập chương trình, biểu diễn chương trình dưới dạng số và sử dụng cùng một bộ nhớ cho chương trình và dữ liệu cũng như thay thế việc biểu diễn các số thập phân bằng các số nhị phân song song trong máy tính. Thiết kế cơ bản đó (gọi là máy Von Neumann) hiện vẫn là cơ sở cho hầu hết các máy tính số cho đến tận ngày nay. Máy này gồm có 5 phần cơ bản: bộ nhớ, đơn vị tính số học - lôgic, đơn vị điều khiển chương trình, thiết bị nhập (vào) và thiết bị xuất (ra).

2. Thế hệ thứ hai (1955 - 1965) - Các máy tính dùng Transistor

Dụng cụ bán dẫn Transistor được phát minh tại phòng thí nghiệm Bell (Mỹ) vào năm 1948. Do vậy, vào những năm cuối thập niên 50, các máy tính dùng đèn điện tử đã được thay thế dần bằng các máy tính dùng transistor. Máy tính transistor được xây dựng đầu tiên tại phòng thí nghiệm Lincon thuộc Viện công nghệ Massachuset MIT (Mỹ) và một  máy có độ dài từ 16 bit được thử nghiệm với tên gọi là TX-0.

Năm 1961, máy tính thương mại PDP-1 xuất hiện với 4k từ 18 bit và chu kì nhịp đồng hồ là 5 micro giây. Giá của nó là 120.000 đô la Mỹ. Đây là cái mốc ra đời của công nghiệp máy tính mini. Vào thời điểm này, hãng IBM, khởi đầu là một công ti nhỏ làm thương mại sản xuất các máy đục lỗ cho các thẻ và các máy sắp xếp thẻ bằng cơ khí, đã xây dựng máy tính 7090 và sau đó là 7094 với chu kì 2 micro giây và bộ nhớ 32k từ 36 bit. Giá thành cỡ vài triệu đô la Mỹ.

Công ti còn cho ra đời loại máy 1401 dùng cho các hoạt động kinh doanh nhỏ với 4k từ 8 bit. Máy có thể đọc và ghi băng từ, đọc và đục lỗ các thẻ, in kết quả nhanh hơn 7094 với giá chỉ bằng một phần nhỏ giá thành các máy trên.

Năm 1964 công ti CDC giới thiệu máy 6600 có tốc độ nhanh hơn 7094 nhờ vào cơ chế xử lí song song thực sự bên trong CPU.

3. Thế hệ thứ ba (1965 - 1980) - Các máy tính dùng mạch tích hợp IC

Mạch tích hợp IC (Integrated Circuit) hay còn gọi là vi mạch cho phép đặt một số lớn transistor trên một chip đơn tinh thể chất bán dẫn. Do vậy các máy tính xây dựng trên IC nhỏ hơn, nhanh và rẽ hơn các máy tính dùng transistor. Năm 1964, hãng IBM, lúc này đã là một công ti máy tính hàng đầu, cho ra đời sản phẩm máy tính System-360 đầu tiên sử dụng các vi mạch. Đây là một họ máy tính được thiết kế cho cả tính toán trong thương mại và trong khoa học cùng dùng chung một hợp ngữ. Phần mềm viết cho một trong các máy kiểu khác nhau chạy được trên máy khác. Đây là một cải tiến quan trọng so với các máy 7094 và 1401. Điểm mới quan trọng khác trong 360 là cho phép đa lập trình. Có vài chương trình được nhập vào cùng một bộ nhớ để khi một chương trình đang chờ việc nhập/xuất thì chương trình khác có thể tính toán. 360 cũng có thể mô phỏng các máy tính khác. Máy có 16 thanh ghi 32 bit nhưng bộ nhớ được thiết kế theo hướng byte (8 bit). Không gian địa chỉ 16 Mbyte của nó là rất lớn so với kỹ thuật và giá thành thời bấy giờ.

4. Thế hệ thứ tư (1980 đến nay) - Máy tính cá nhân và VLSI

Vào những năm đầu thập niên 80, vi mạch có độ tích hợp rất lớn VLSI (very large scale integration) chứa vài chục ngàn rồi đến vài trăm ngàn và cuối cùng là vài triệu transistor trên một chip đơn như hiện nay. Sự phát triển này dẫn đến việc sản xuất các máy tính nhỏ hơn và tốc độ xử lí nhanh hơn. Do vậy, vào năm 1980, giá thành máy tính dùng IC đã giảm xuống thấp cho chép một cá nhân có thể sở hữu một máy tính. Thời đại máy tính cá nhân PC (personal computer) ra đời. Các máy tính cá nhân được sử dụng cho việc xử lí văn bản (word processing), các bảng tính và các ứng dụng khác mà máy tính lớn không thực hiện tốt được.

Hiện nay, dựa trên kích thước vật lí, hiệu suất và các lĩnh vực ứng dụng khác, các máy tính có thể được phân thành 4 loại như trình bày dưới dây, tuy nhiên ranh giới giữa chúng cũng ngày càng trở nên không rõ ràng lắm do sự phát triển hàng ngày hàng giờ của công nghệ phần cứng cũng như phần mềm.

Máy vi tính (microcomputer) hay máy tính cá nhân (personal computer) có kích thước cũng như công suất tiêu thụ nhỏ cho phép dùng cho một người. Cũng có khi máy vi tính là một bộ vi điều khiển trong một hệ thống lớn. Độ dài của bus dữ liệu thường là 32 (có thể lên tới 64 bit) với dung lượng bộ nhớ vừa phải. Do sự phát triển rất nhanh chóng của công nghệ những năm gần đây ranh giới giữa máy tính nhỏ và máy vi tính ngày càng bị xóa nhòa đi.

Máy tính nhỏ (minicomputer) là một dạng thu hẹp về tính năng cũng như kích thước của máy tính lớn. Nó đáp ứng được cho các ứng dụng vừa phải mà nếu dùng máy tính lớn sẽ gây lãng phí. Bus dữ liệu ở đây thường có độ dài từ trên 32 bit và bộ nhớ nhỏ hơn. Máy tính nhỏ thường dùng cho các mục đích tính toán khoa học kĩ thuật hay điều khiển các quá trình công nghệ theo thời gian thực, thí dụ điều khiển không gian lưu trữ hoặc tự động hóa trong các xí nghiệp.

Máy tính lớn (mainframe) là dạng kế thừa của máy tính IBM 360 và CDC 6600. Điểm khác điển hình của chúng so với máy tính nhỏ là chúng thường được thiết kế với các bộ xử lí hoạt động song song hoặc các thiết bị ngoại vi mạnh như có thể có vài trăm ổ đĩa có dung lượng vài Gbytes. Nó thường làm việc với các bus dữ liệu lên tới 64 bit hoặc hơn nữa cùng với một bộ nhớ rất lớn. Do vậy nó cũng có kích thước lớn. Các máy tính này thường được dùng trong những ứng dụng quân sự, trong các ngày hàng không, hàng hải, khí tượng thủy văn, ngân hàng, bảo hiểm v.v...

Các siêu máy tính (supercomputer) được thiết kế đặc biệt để cực đại hóa số các thao tác các phép tính dấu chấm động trong một giây FLOP (floating point operations per second). Những máy có trên 1 giga FLOP mới được xem xét vào loại siêu máy tính. Các siêu máy tính có cấu trúc song song để đạt được tốc độ này.

* Một số mốc quan trọng trong lịch sử phát triển máy tính số:
Năm
Tên
Chế tạo bởi
Chú thích
1834
Analytic Eng
Babbage
Cố gắng đầu tiên chế tạo máy tính số
1936
ZI
Zuse
Máy tính dùng rơle đầu tiên
1943
COLOSSUS
Chính phủ Anh
Máy tính điện tử đầu tiên
1944
Mark-1
Aiken
Máy tính điện tử đa năng của Mỹ đầu tiên
1948
ENIAC 1
Eckert/Mauchley
Lịch sử máy tính hiện đại bắt đầu
1949
EDSAC
Wilkes
Máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên
1951
Whirlwind 1
MIT
Máy tính chạy thời gian thực đầu tiên
1951
UNIVAC 1
Eckert/Mauchley
Máy tính đầu tiên bán trên thị trường
1952
IAS
Von Neumann
Thiết kế cho đa số máy tính hiện nay
1960
PDP-1
DEC
Máy tính mini đầu tiên
1961
1401
IBM
Máy tính dùng trong kinh doanh
1962
7094
IBM
Thống trị việc tính toán khoa học
1963
B5000
Burroughs
Máy dùng ngôn ngữ cấp cao đầu tiên
1964
360
IBM
Sản phẩm đầu tiên thiết kế theo họ
1964
6600
CDC
Máy tính đầu tiên có cơ chế song song nội
1965
PDP-8
DEC
Máy tính mini bán chạy nhất đầu tiên
1970
PDP-11
DEC
Thống trị các máy tính mini
1974
8080
Intel
Bộ xử lí đa năng đơn chip đầu tiên
1974
CRAY-1
Cray
Siêu máy tính đầu tiên
1978
VAX
DEC
Siêu máy tính 32 bit đầu tiên