Suomen Automaatioseura ry UTV 1/1 Björn Wahlström VTT DATORERNAS UTVECKLING Inledning Datorerna har en central roll i dagens automationslösningar. Datorn, så som vi ser den idag, har en lång utvecklingshistoria. Många människors insikter och uppfinningsrikedom har bidragit. Fastän datorn i sin nuvarande form har funnits endast några decennier, har den redan nu blivit ett oundgängligt redskap i det moderna samhället. När vi blickar mot framtiden är det uppenbart att vi endast är i början av datorernas utveckling och att vi antagligen ännu kommer att se många banbrytande tillämpningar. I det följande behandlas den utveckling som lett fram till dagens datorer. Förhistoria Räknekonsten och talsystemen När människan började använda siffror och när hon lärde sig att räkna försvinner i historiens töcken, men vi vet i alla fall att människor redan för 5000 år sedan använde sig av tal och räknade med dem. Historiskt kan man särskilja på två olika talsystem. Det ena talsystemet baserar sig på en additionsprincip och det andra på en positionsprincip. I systemet som baserar sig på additionsprincipen skrivs talen så att man t.ex. med antalet streck anger hur stort talet är. Eftersom det för större tal blir ohanterligt använde man sig av speciella symboler för att ange t.ex. 5, 10, 12, 20, 60 eller 100, men principen var fortfarande den samma: man fick räkna ihop alla symboler för att få talet. Bland annat romarna använde sig av detta system. Talsystem som grundar sig på positionsprincipen skiljer sig från dessa på så sätt att de också innehåller en symbol för talet 0. Man ger varje position i ett tal en betydelse av hur många det finns av talsystemet bas höjd i en viss exponent. I vårt eget talsystem använder vi basen 10 vilket då betyder att positionerna står för 1, 10, 10 2 =10*10=100, 10 3 =10*10*10=1000, osv. Man kan förstå detta så att ett pris som t.ex. är antecknat till 123,45 euro betyder att man måste rada upp 5 cent, 4 tiocentsslantar, 3 euroslantar, 2 tioeurosedlar och 1 hundraeurosedel för att betala varan. Vi har i vårt talsystem kommit överens om att entalen står längst till höger framför decimalkommat och att man efter decimalkommat kan anteckna allt mindre delar räknat från 10-, 100-delar osv. De räkneregler som vi lärde oss i skolan hjälper oss att räkna i det dagliga livet, men människor har idag ofta svårt för att räkna utan hjälp av räknemaskiner. Ett viktigt räknehjälpmedel som idag har fallit i glömska är kulramen eller som den också kallas abakusen. Logaritmerna Suomen Automaatioseura ry, Asemapäällikönkatu 12 B, 00520 HELSINKI puh: 0201 981 220, fax: 0201 981 227, sähköposti: office@atu.fi, www.automaatioseura.fi
Suomen Automaatioseura ry REG 2/2 Tal och räknekonst användes till en början när man köpte och sålde samt för att registrera mark som man ägde. Då räckte addition och subtraktion väl utöver de relativt få gånger man behövde multiplikation och division. Efter det att Columbus upptäckt Amerika blev behoven av att räkna mycket större, för att matematik är nödvändig inom navigation. Det blev viktigt att behärska sfärisk geometri och att göra beräkningarna med en tillräcklig noggrannhet. Annars kunde det vara mycket svårt att hitta en avlägsen ö där man skulle få mat och vatten. Genombrottet kom med logaritmerna och de främsta utvecklarna var engelsmännen Napier och Briggs i början av 1600-talet. Efter det blev logaritmtabellen navigatörernas viktigaste hjälpmedel. Logaritmer används även för räknestickor, som länge ansågs vara ett av ingenjörens främsta kännetecken. Mekaniska räknemaskiner På 1600-talet började man bygga mekaniska räknemaskiner. De baserade sig på hjul, på vilka man hade graverat in siffrorna från 0 till 9. Man kunde då representera godtyckliga tal med hjälp av läget på hjulen, som sattes bredvid varandra. Hjulen kunde användas för räkning genom att man roterade dem stegvis bakåt eller framåt. Genom att hjulen var kopplade till varandra så att ett hjul som roterade ett helt varv samtidigt flyttade ett steg på hjul bredvid kunde man hantera minnessiffran i addition och subtraktion. Räknemaskinerna förbättrades och utvecklades i många steg och man utvecklade också modeller för speciella ändamål. Kassaapparaterna i butikerna var långt in på 1900-talet av denna typ. Räknesnurrorna som vid samma tid användes för multiplikation och division grundar sig också på samma princip. Logisk slutledning Logisk slutledning är en annan viktig komponent i dagens datorer. Redan i gamla Grekland hade man funderat på hur logiska argument kan användas för logiska slutledningar, men det räckte ända till slutet av 1800-talet innan logiken fick sin nuvarande form. Viktiga personer i utvecklingen var de Morgan i England och Boole på Irland. När man sedan i början av 1900-talet kunde bevisa att aritmetikens regler kan härledas ur logiken kan man säga att den teoretiska grunden för datorerna var lagd. Utvecklingen av datorer Hålkortsmaskiner När elektriciteten uppfanns fick speciellt de mekaniska räknemaskinerna en kraftig utvecklingsimpuls. Man använde sig av elmotorer och reläer som hjälpkraft och för att öka tillförlitligheten hos maskinerna. Dessutom hjälpte elektriciteten till att utveckla en produktionsteknologi, som gjorde att räknemaskinernas delar kunde tillverkas med en mycket större precision och mycket billigare än tidigare. Samtidigt behövde det industriella samhället matematik och beräkningar i nya sammanhang såsom t.ex.
Suomen Automaatioseura ry REG 3/3 folkräkning. Den första folkräkningen i USA utfördes 1790 och efter det vart tionde år. Redan år 1850 hade detta arbete blivit så stort att man försökte mekanisera arbetet på olika sätt. Detta ledde till att Hollerith år 1890 fick uppdraget för den hålkortsmaskin han hade uppfunnit. Det idag väl kända företaget IBM har ett ursprung från det företag som han grundade. Analogimaskiner Den militära tekniken ledde till en annan utvecklingsgren. Redan i början av 1900-talet hade krigsfartygen och kanonerna utvecklats så långt att man behövde nya sätt att sikta och att beräkna hur kanonerna skulle riktas. Dessutom är det viktigt att man kompenserar för sjögången när man riktar fartygskanonerna. Först användes olika tabeller och räkneskivor för beräkningarna. Framställningen av tabeller blev ett problem, eftersom de måste beräknas skilt för varje typ av kanon och projektil. För ändamålet utvecklade man mekaniska hjälpmedel, med vilka man kunde integrera godtyckliga funktioner analogt. Dessa räknemaskiner introducerades i viss utsträckning i krigsfartygens kommandocentraler. Analogitekniken utnyttjades också i de servosystem som användes för att rikta kanonerna så att underlagets rörelser kunde kompenseras. Utvecklingen av flygplan och radartekniken ledde till att man sedan måste överge de mekaniska analogimaskinerna, eftersom de var för långsamma. Olika typer av elektroniska analogimaskiner kom då in som ersättare. Efter krigsslutet togs dessa maskiner också i civilt bruk speciellt inom simulering och för att lösa differentialekvationer. Tidiga datorer Det var först på 1930-talet som man på allvar började fundera på möjligheten att använda snabba elektroniska kretsar för räknemaskiner. Några konstruktioner med reläer hade visserligen presenterats redan före andra världskriget, men reläerna var mycket långsammare än radiorören. Den först riktiga datorn ENIAC blev färdig 1945. Den utvecklades primärt för att beräkna skjuttabeller och den innehöll cirka 18000 radiorör. Effektbehovet var 150 kw och klockfrekvensen 100 khz. Programmeringen skedde med en kopplingspanel och den obrutna drifttiden var sällan mera än cirka 20 timmar innan man igen måste byta något rör som gått sönder. ENIAC satte igång många motsvarande datorprojekt, men rördatorerna var trots allt för stora och otillförlitliga för att utvecklingen skulle kunna komma igång på allvar. Nya uppfinningar Inom datorområdet var transistorn, som uppfanns 1948, den mest genombrytande nyheten. Med transistorn fick man med ett slag elektroniken in i ett mindre utrymme, den nya tekniken behövde mindre effekter och komponenterna var mera tillförlitliga. Det räckte visserligen flera år innan transistorernas produktionsteknik hade utvecklats så långt att man fick transistorer som lämpade sig för snabba kopplingsförlopp. Medan
Suomen Automaatioseura ry REG 4/4 transistorerna utvecklades gjordes också många andra uppfinningar som stödde den nya tekniken såsom ferritminnet och skivminnena. Lösningarna för datainmatning och - utskrift utvecklades också kraftigt under 1950-talet. Den snabba utvecklingen börjar Den snabba utvecklingen av datorer kom igång först under 1960-talet. Många äldre minns ännu dåtida datorer som var uppbyggda av diskreta komponenter. Av den tidens datorer kan man nämna IBM1620, som var speciell genom att den räknade med decimalsystemet. Senare datorer använde sig av binärsystemet. Man började nu använda datorer på de mest skilda områden och t.ex. datorer i IBM360-serien användes mycket för administrativ databearbetning. Man byggde också superdatorer som användes för vetenskapliga beräkningsarbeten, såsom Cray-1 som var en av de första. Datorer användes också för processreglering och -styrning och digitaltekniken ersatte analoga regulatorer. De PDP-8 och PDP-16 datorer som togs i användning på 1970-talet var ännu på 1990-talet i bruk på många fabriker. Dessa datorer ersattes av nyare först när det blivit så dyrt att få reservdelar att man till samma pris kunde få en helt ny dator med bättre prestanda. När man ser på hur snabb utvecklingen har varit kan man lättare förstå, att man misstog sig till den grad att man i början av 1960-talet antog att 3 5 dåtida superdatorer skulle räcka till för hela världens räknebehov. Datorernas talsystem Det talsystem som dagens datorer använder sig av är binärt, dvs. basen i positionssystemet är 2. I binärsystemet ges talen som en sekvens med siffrorna 0 och 1. Både 0 och 1 går enkelt att åstadkomma elektroniskt och de används för att berätta för datorn om en viss exponent av basen 2 finns med eller inte. Om den finns med så skriver man siffran 1 i den positionen och annars siffran 0. Talet 83 i decimalsystemet kan då skrivas som 01010011=0*2 7 +1*2 6 +0*2 5 +1*2 4 +0*2 3 +0*2 2 +1*2 1 +1*2 0 =0+64+0+16+0+0+2+1=83. Man kan med dessa åtta ettor och nollor, eller genom en byte som talet också kallas, skriva alla tal mellan 0 och 255. Talet 0 innehåller endast siffran 0 och talet 255 endast siffran 1 i alla positioner. I datorerna används dessa tal för att representera alla bokstäver, siffror och specialtecken som vi kan se på våra dataskärmar. Bokstaven A representeras t.ex. av talet 65 i decimalsystemet eller talet 01000001 i binärsystemet. I praktiken räcker detta inte helt, utan man måste alltid för datorn berätta hur ett visst tal mellan 0 och 255 skall tolkas. Programvara Programvaran är en viktig del av varje dator. De tidigaste datorerna programmerades alltid i maskinspråk, vilket betydde ett tal som angav vilken instruktion som skulle utföras och en eller flera adresser på minnesplatser mot vilka instruktionen riktade sig. Datorernas program matade man in som en sekvens av instruktioner med strömbrytare, hålremsa eller hålkort. Maskinspråket var svårt att behärska eftersom det var svårt att
Suomen Automaatioseura ry REG 5/5 komma ihåg instruktionerna och läsa programmen. En förbättring kom med de s.k. assemblerspråken. Det verkliga genombrottet kom dock först när man definierade s.k. högnivåspråk som automatiskt kunde översättas till maskinspråk. Nästa steg i utvecklingen var de s.k. operativsystemen, med vilka man kunde programmera och utnyttja datorns alla resurser såsom realtidsklocka, skivminnesenhet, läsare, skrivare, osv. Nuförtiden används också s.k. databassystem för att hantera stora datamängder. De senaste tjugo åren Mikrokretsar Uppfinningen av mikrokretsar 1959 var ett viktigt steg i utvecklingen som beskrivits ovan. Den grundläggande idén var att man kunde integrera flera transistorer och andra komponenter på en och samma kiselbit så att man fick flera funktioner på samma komponent. De korta avstånden på kiselbiten gjorde att man kunde använda högre klockfrekvenser. Utvecklingen av mikrokretsar beskrivs ofta med antalet transistorer man har integrerat på en kiselbit och man kan då se att utvecklingen följt en exponentialfunktion under en lång tid av år. Idag har t.ex. Pentium 4 -processorn redan 40 miljoner transistorer på en enda kiselbit. Ett annat tal som används för att beskriva utvecklingen är hur breda ledningarna på en mikrokrets är. De första mikrokretsarna som tillverkades hade en millimeter breda ledningar medan de idag till och med kan vara under hundra nanometer, dvs. under en tiotusendel av en millimeter breda. Mindre, effektivare, billigare och mera tillförlitliga Datorernas utveckling under de senaste 20 åren kan beskrivas med orden, mindre, effektivare, billigare och mera tillförlitliga. Detta är en följd av många innovationer som gjorts inom produktionstekniken för mikrokretsar. Datorerna själva har också haft en viktig andel i utvecklingen, genom att mikrokretsarna har konstruerats och producerats med tillhjälp av datorer. Under utvecklingens gång har till en början minidatorerna fått de stora datorernas egenskaper, och mikrodatorerna minidatorernas osv. Nu har man övergått från stora datorskåp till datorer man kan ha i famnen och till och med handdatorerna börjar få egenskaper som gör att de överglänser det bästa som fanns för bara några årtionden sedan. Idag har många apparater en dator som är inbäddad i apparatens funktion på ett sådant sätt att man inte ens märker att den finns. Dataöverföring En viktig innovation under 1970-talet var datornäten. Utvecklingen gick till så, att till en början förseddes de stora datorerna med flera terminaler så att flera människor samtidigt kunde arbeta med dem. I praktiken anslöt man terminalerna med en parkabel till datorns ingångsportar. Idag används allmänt även koaxialkabel eller optiska fiber. Nästa steg var att man började koppla ihop datorer så att man kunde föra över data från den ena datorn till den andra. Under 1980-talet konstruerade och tog man i bruk programvara som senare utvecklade sig till Internet och World Wide Web tillämpningarna. Idag kan man med
Suomen Automaatioseura ry REG 6/6 Internet skicka e-post vart som helst i världen och man kan via nätet ladda ner information från miljoner datorer över hela världen. Utöver den dataöverföring som går via kablar kan man idag även använda sig av trådlös kommunikation med radiovågor. Nya metoder och programvara Utvecklingen av datorerna har i många avseenden gått hand i hand med utvecklingen av nya beräkningsmetoder. Idag kan man lösa differentialekvationer och optimeringsuppgifter som innehåller tusentals ekvationer. Man kan hantera mycket stora datamängder osv. Inom kryptologin har man hittat på nya metoder att chiffrera meddelanden på ett sätt som gör det praktiskt taget omöjligt att bryta koden. En avigsida av den snabba utvecklingen är dock de s.k. datorvirusen som ansvarslösa personer avsiktligt breder ut till förargelse för alla datoranvändare i världen. Framtiden Faktorer som begränsar utvecklingen När man ser på framtiden bör man beakta att det finns några fysikaliska faktorer som sätter en gräns för utvecklingen. En av dem är att man inte i det oändliga kan minska utrymmet för elektroniken. Ledningarnas bredd kan inte minskas hur mycket som helst, fastän man inte ännu har kommit till någon absolut fysikalisk gräns. Man tvingas också sätta en gräns för hur många elektroner som behövs för att definiera en bit, dvs. sätta skillnaden mellan vad som skall tolkas som 0 eller 1. Den effekt som mikrokretsen förbrukar blir också en begränsande faktor, eftersom värmen som uppstår måste ledas bort för att mikrokretsen skall kunna fungera. Produktionstekniken ställer sina egna begränsningar, genom att de maskiner som behövs för att konstruera och producera kretsarna är mycket dyra. Andra begränsningar finns i programvaran och till och med i metoderna man använder för att matematiskt lösa problem. Nya datortyper De fysikaliska begränsningarna har lett till att forskare i hela världen söker lösningar som gör att man kan kringgå dem. Ett koncept som föreslagits är att man bygger s.k. molekyldatorer där räkneoperationerna sker i molekyler istället för i mikrokretsar. Det förefaller dock som om det ännu dröjer länge innan sådana datorer finns att tillgå sig på arbetsborden och i hemmen. Ännu längre i framtiden kanske man lyckas konstruera s.k. kvantdatorerna som fungerar enligt kvantteorins lagar, så att ett tal samtidigt kan vara både 0 och 1. Oberoende av dessa visioner som går långt in i framtiden är det dock klart att datorernas tidsålder endast har börjat och att vi kommer att få se många intressanta innovationer och tillämpningar redan i den närmaste framtiden. Artificiell intelligens
Suomen Automaatioseura ry REG 7/7 En av de intressanta tillämpningar som togs fram under 1980-talet var artificiell intelligens. Man hade visserligen byggt de första tillämpningarna redan tidigare, men speciella maskiner och programvara utvecklades på 1980-talet. De första tillämpningarna av artificiell intelligens var dock ganska klumpiga och använde sig av en stor mängd "om_så" (if_then) satskonstruktioner. Nu finns det programvara som kan imitera människans förmåga att lösa matematiska uppgifter. Utgående från detta kan man ställa sig frågan om det är möjligt att bygga en intelligent dator. Forskare har haft många synpunkter på frågan och det s.k. Turing-provet kan fungera som en prövosten. I Turingprovet får en person, som kommunicerar via en datorterminal försöka ta reda på om han/hon "talar" med en människa eller med en dator. En annan fråga är om en dator kan ha ett medvetande. Denna fråga är ännu svårare, eftersom man inte ens vet vad människans medvetande är. Oberoende av man någonsin får svar på dessa frågor är det i alla fall klart att datorn står som modell i många avseenden när man idag försöker förstå hur människans hjärna fungerar. Källor: Aspray, Bromley, Cambell-Kelly, Ceruzzi, Williams (1990). Computing before computers, Iowa State University Press, Ames, USA (finns på adressen http://edthelen.org/comp-hist/cbc.html).