Máy tính và lịch sử phát triển

Máy tính và lịch sử phát triển
Máy tính, cũng gọi là máy vi tính, là những thiết bị hay hệ thống dùng để tính toán hay kiểm soát các hoạt động mà có thể biểu diễn dưới dạng số hay quy luật lôgic. Máy tính được lắp ghép bởi các thành phần có thể thực hiện các chức năng đơn giản đã định nghĩa trước. Quá trình tác động tương hỗ phức tạp của các thành phần này tạo cho máy tính một khả năng xử lý thông tin. Nếu được thiết lập chính xác (thông thường bởi các chương trình máy tính) máy tính có thể mô phỏng lại một số khía cạnh của một vấn đề hay của một hệ thống. Trong trường hợp này khi được cung cấp một bộ dữ liệu thích hợp nó có thể tự động giải quyết vấn đề hay dự đoán trước sự thay đổi của hệ thống.Khoa học nghiên cứu về lý thuyết, thiết kế và ứng dụng của máy tính được gọi là khoa học máy tính, hay khoa học điện toán.Từ "máy tính" (computers), đầu tiên, được dùng cho những người tính toán số học, có hoặc không có sự trợ giúp của máy móc, nhưng hiện nay nó có nghĩa là máy móc hoàn toàn. Đầu tiên máy tính chỉ giải các bài toán số học, nhưng các máy tính hiện đại làm được nhiều hơn thế. Máy tính có thể mua ở Anh đầu tiên là máy Ferrani star theo đề cương "bé." Các nguyên lý cơ bản Máy tính có thể làm việc thông qua sự chuyển động của các bộ phận cơ khí, electron, photon, hạt lượng tử hay các hiện tượng vật lý khác đã biết. Mặc dù máy tính được xây dựng từ nhiều công nghệ khác nhau song gần như tất cả các máy tính hiện nay là máy tính điện tử.Máy tính có thể trực tiếp mô hình hóa các vấn đề cần được giải quyết, trong khả năng của nó các vấn đề cần được giải quyết sẽ được mô phỏng gần giống nhất với những hiện tượng vật lý đang khai thác. Ví dụ, dòng chuyển động của các điện tử (electron) có thể được sử dụng để mô hình hóa sự chuyển động của nước trong đập. Các máy tính tương tự (analog computer) giống như thế đã rất phổ biến trong thập niên 1960 nhưng hiện nay còn rất ít.Trong phần lớn các máy tính ngày nay, trước hết, mọi vấn đề sẽ được chuyển thành các yếu tố toán học bằng cách diễn tả mọi thông tin liên quan thành các số theo hệ nhị phân (hệ thống đếm dựa trên các số 0 và 1 hay còn gọi là hệ đếm cơ số 2). Sau đó, mọi tính toán trên các thông tin này được tính toán bằng đại số Bool (Boolean algebra).Các mạch điện tử được sử dụng để mô tả các phép tính Bool. Vì phần lớn các phép tính toán học có thể chuyển thành các phép tính Bool nên máy tính điện tử đủ nhanh để xử lý phần lớn các vấn đề toán học (và phần lớn thông tin của vấn đề cần giải quyết đã được chuyển thành các vấn đề toán học). Ý tưởng cơ bản này, được nhận biết và nghiên cứu bởi Claude E. Shannon, đã làm cho máy tính kỹ thuật số (digital computer) hiện đại trở thành hiện thực.Máy tính không thể giải quyết tất cả mọi vấn đề của toán học. Alan Turing đã sáng tạo ra khoa học lý thuyết máy tính trong đó đề cập tới những vấn đề mà máy tính có thể hay không thể giải quyết.Khi máy tính kết thúc tính toán một vấn đề, kết quả của nó được hiển thị cho người sử dụng thấy thông qua thiết bị xuất như: bóng đèn, màn hình , máy in, ...Những người mới sử dụng máy tính, đặc biệt là trẻ em, thường cảm thấy khó hiểu về ý tưởng cơ bản là máy tính chỉ là một cái máy, nó không thể "suy nghĩ" hay "hiểu" những gì nó hiển thị. Máy tính chỉ đơn giản thi hành các tìm kiếm cơ khí trên các bảng mầu và đường thẳng đã lập trình trước, rồi sau đó nó được chuyển đổi thành các mẫu tùy ý của ánh sáng bởi thiết bị đầu ra. Chỉ có bộ não của con người nhận thức được các mẫu này tạo thành các chữ hay số và gắn ý nghĩa cho chúng. Trong quan điểm của máy tính thì mọi thứ mà nó "nhận thấy" (kể cả khi máy tính được coi là tự nhận biết) chỉ là các hạt electron tương đương với các số 0 và 1. Xem thêm trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) và robot. Sự phát triển lũy thừa của công nghệ máy tính Các thiết bị tính toán tăng gấp đôi năng lực (được định nghĩa là số phép tính thực hiện trong một giây cho mỗi 1.000 USD chi phí) sau mỗi 18 đến 24 tháng kể từ năm 1900. Gordon E. Moore, người đồng sáng lập ra Intel, lần đầu tiên đã mô tả tính chất này của sự phát triển vào năm 1965 (Xem định luật Moore). Cùng với việc tăng khả năng tính toán trên một đơn vị chi phí thì tốc độ của sự thu nhỏ kích thước cũng tương tự. Những chiếc máy tính điện tử đầu tiên như ENIAC (ra đời năm 1946) là một thiết bị khổng lồ nặng hàng tấn, tiêu thụ nhiều điện năng, chiếm một diện tích lớn, thực hiện được ít phép tính và đòi hỏi nhiều người điều khiển để có thể hoạt động được. Chúng đắt đến mức chỉ có các chính phủ hay các viện nghiên cứu lớn mới có đủ điều kiện để duy trì hoạt động của chúng. Ngược lại, các máy tính ngày nay có nhiều sức mạnh hơn, rẻ tiền hơn, có kích thước nhỏ hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn và phổ biến ở mọi nơi. Phân loại máy tính Các phần dưới đây mô tả các xu hướng khác nhau trong sự phân loại các máy tính. Theo mục đích sử dụng * Siêu máy tính * Siêu máy tính cỡ nhỏ * Mainframe * Máy chủ doanh nghiệp * Máy tính mini * Máy trạm (workstation) * Máy tính cá nhân (PC) o Máy tính để bàn (Desktop) o Máy tính xách tay (Laptop) o Máy tính bảng con o Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân (PDA) o Máy tính tháo lắp Điểm yếu của xu hướng phân loại này là tính chất mơ hồ của nó. Nó thường được sử dụng trong sự phân loại tại một thời điểm nào đó trong sự phát triển của ngành công nghiệp máy tính. Sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp này đã làm cho định nghĩa trên nhanh chóng trở lên lạc hậu. Rất nhiều loại máy tính hiện nay không được còn sử dụng nữa, như máy phân tích vi phân (differential analyzer), không được đưa vào danh sách này. Các sơ đồ phân loại khác cần được đề ra để định nghĩa thuật ngữ máy tính một cách ít, hoặc không, mơ hồ hơn. Theo mức cải tiến công nghệ Một cách phân loại máy tính ít mơ hồ hơn là theo mức độ hoàn thiện của công nghệ. Những chiếc máy tính có mặt sớm nhất thuần túy là máy cơ khí. Trong thập niên 1930 các thành phần relay cơ-điện đã được giới thiệu vào máy tính từ ngành công nghiệp liên lạc viễn thông và trong thập niên 1940 những chiếc máy tính thuần túy điện tử đã được chế tạo từ những bóng điện tử. Trong hai thập niên 1950 và thập niên 1960 bóng điện tử dần dà được thay thế bởi bóng bán dẫn, và từ cuối thập niên 1960, đầu thập niên 1970 là bởi mạch tích hợp bán dẫn (chíp bán dẫn, hay IC) cho đến hiện nay.Một hướng nghiên cứu phát triển gần đây là máy tính quang (optical computer) trong đó máy tính hoạt động theo nguyên lý của ánh sáng hơn là theo nguyên lý của các dòng điện; đồng thời, khả năng sử dụng DNA trong công nghệ máy tính cũng đang được thử nghiệm. Một nhánh khác của việc nghiên cứu có thể dẫn công nghiệp máy tính tới những khả năng mới như tính toán lượng tử, tuy rằng nó vẫn còn ở giai đoạn đầu của việc nghiên cứu. Theo đặc trưng thiết kế Các máy tính hiện đại đã liên kết các đặc trưng thiết kế chính được phát triển bởi nhiều người đóng góp trong nhiều năm. Các đặc trưng này phần lớn không phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện của công nghệ. Các máy tính hiện đại nhận được khả năng tổng thể của chúng theo cách mà các đặc trưng này tác động qua lại với nhau. Một số đặc trưng quan trọng được liệt kê dưới đây. Kỹ thuật Số và Tương tự Một quyết định nền tảng trong việc thiết kế máy tính là hoặc sử dụng kỹ thuật số (digital) hoặc sử dụng kỹ thuật tương tự (analog). Các máy tính kỹ thuật số (digital computer) tính toán trên các giá trị số rời rạc (discreet value) hoặc giá trị tượng trưng (symbolic value), trong khi đó máy tính tương tự (analog computer) tính toán trên các tín hiệu dữ liệu liên tục (continuous data signal). Bắt đầu từ thập niên 1940, máy tính kỹ thuật số đã trở nên phổ biến hơn mặc dù máy tính tương tự vẫn được sử dụng cho một số mục đích đặc biệt như trong kỹ thuật robot và việc kiểm soát các lò xyclôtrôn. Các thiết kế khác dùng tính toán xung lượng và tính toán lượng tử cũng hiện hữu nhưng chúng hoặc được sử dụng cho các mục đích đặc biệt hoặc vẫn đang trong vòng thử nghiệm. Nhị phân và Thập phân Một phát triển quan trọng trong thiết kế tính toán kỹ thuật số là việc sử dụng hệ nhị phân như là hệ thống số đếm nội tại. Điều này đã bãi bỏ các yêu cầu cần thiết trong các cơ cấu kỹ thuật phức tạp của các máy tính sử dụng các hệ số đếm khác, chẳng hạn như hệ thập phân. Việc áp dụng hệ nhị phân đã làm cho việc thiết kế trở lên đơn giản hơn để thực hiện các phép tính số học và các phép tính lôgic. Khả năng lập trình Khả năng lập trình của máy tính (programmability), nghĩa là cung cấp cho nó một tập hợp các chỉ thị để thực hiện mà không có sự điều chỉnh vật lý đối với nó, là một đặc trưng thiết kế nền tảng của phần lớn các máy tính. Đặc trưng này là một sự mở rộng đáng kể khi các máy tính đã được phát triển đến mức nó có thể kiểm soát động luồng thực hiện của chương trình. Điều này cho phép máy tính kiểm soát được thứ tự trong sự thực thi các chỉ lệnh trong chương trình dựa trên các dữ liệu đã được tính ra.Điểm nổi bật chính trong thiết kế này đã được đơn giản hóa một cách đáng kể với việc áp dụng các phép tính số học theo hệ đếm nhị phân để nó có thể mô tả hàng loạt các phép tính lôgic. Lưu trữ Trong quá trình tính toán, máy tính thông thường cần phải lưu trữ các giá trị trung gian để có thể sử dụng trong các tính toán sau đó. Khả năng thực hiện của máy tính phần lớn phụ thuộc vào tốc độ đọc các giá trị từ bộ nhớ và tốc độ ghi vào bộ nhớ, cũng như dung lượng bộ nhớ. Ban đầu bộ nhớ chỉ được sử dụng cho các giá trị trung gian nhưng từ thập niên 1940 thì chính bản thân chương trình cũng có thể được lưu trữ theo cách này. Điểm nổi trội này đã dẫn đến việc ra đời của những chiếc máy tính có sẵn chương trình đầu tiên của thế hệ máy tính ngày nay. Theo năng lực sử dụng Có lẽ cách tốt nhất để phân loại các thiết bị máy tính là theo năng lực nội tại của nó hơn là theo việc sử dụng, sự hoàn thiện công nghệ hay các đặc trưng thiết kế. Máy tính có thể chia làm ba dạng chính dựa theo năng lực sử dụng: * Các thiết bị có một mục đích chỉ có thể thực hiện duy nhất một chức năng (ví dụ cỗ máy Antikythera năm 87 trước công lịch, và máy dự báo thủy triều của Lord Kelvin năm 1876) * Các