از چرتکه تا رایانه

اگر چه از روزهای آغازین انقلاب دیجیتال کمتر از نیم قرن می‌گذرد اما امروزه رایانه‌ها چنان در تار و پود زندگی بشری تنیده شده‌اند که گاهی تصور روزگاری نه چندان دور که انسان بدون همراهی رایانه‌ها و فعالیت‌هایش را سامان می‌بخشیده است، سخت به نظر می‌رسد. این روند پرشتاب فناورانه مانند هر روند فناورانه دیگری، مرهون تلاش‌های شبانه روزی دانشمندان، پژوهشگران، مهندسان و همچنین خوش فکری و آینده‌نگری سرمایه گذارانی است که از پس سال‌های متمادی برای گذر از هر مانعی، راهی نو ساخته‌اند.

پژوهشگران بسیار ریشه‌های تاریخی علم رایانش (در معنای عام آن) را به دوران باستان نسبت می‌داد: زمانی که ساده‌ترین ابزارها برای شمارش، اندازه‌گیری و محاسبات تقویمی و نجومی به کار گرفته می‌شد. این ابزارها اکثرا ماشین‌هایی مکانیکی برای بازنمایی اعداد و انجام محاسبات ساده ریاضی و هندسی بودند و در طی هزاره‌ها در مناطق مختلف جهان ساخته شده و مورد استفاده قرار می‌گرفتند. با پیشرفت دانش بشری و از پس هر انقلاب علمی، بخشی از این میراث محاسباتی از رده خارج شده و ابزارهایی دقیقتر و کارآمدتر جایگزین مدل‌های پیشین می‌شد. زیج، اسطرلاب، انواع چرتکه، ماشین‌های آنالوگ برای انجام محاسبات جبری، ماشین حساب‌های مکانیکی و … را شاید بتوان پیشینیان شناخته ساده‌تر ابزارهای رایانشی امروزی قلمداد کرد.

۰ و ۱ این دو رقم بسیار مهم

بهتر است یادآور شویم منطقی که رایانه‌ها بر اساس آن به انجام محاسبات می‌پردازند بر دو نوع است:

• آنالوگ
• دیجیتال

رایانه‌های آنالوگ برای نمایش مقادیر و انجام محاسبات از کمیت‌های پیوسته قابل اندازه‌گیری چون سطح یک مایع، ولتاژ دو سر یک قطعه الکتریکی و … استفاده می‌کند. از سوی دیگر رایانه‌های دیجیتال، با گسسته سازی مقادیر، کار کرد خود را بر پایه نوع خاصی از ریاضیات حاکم بر ۰ یا ۱ (دستگاه اعداد دودویی باینری) پیش می‌برند. اگر چه امروز با مزیت‌های فراوانی که رایانه‌های دیجیتال در اختیار ما گذاشته‌اند، به ندرت رایانه‌های آنالوگ به چشم می‌آیند، اما هنوز هم به دلایل مختلفی از جمله ملاحظات نظامی و امنیتی و مصون بودن از برخی مخاطرات (از جمله تداخل‌های الکترومغناطیسی حملات سایبری و …)، رایانه‌های آنالوگ در مراکز حساس نظامی، هواشناسی، زلزله‌نگاری و … در حال فعالیت هستند.

اگر به تاریخ عدد نگاری در فرهنگ‌های گوناگون نگاهی بیندازیم، سرنخ‌هایی از سیستم اعداد باینری بیشتری را می‌توان در مصر چین و هند جستجو کرد. گاتفرید ویلهلیم لایبنیز در سده هجدهم میلادی با مطالعه جامعی که انجام داد، تواست ضمن بهبود این سیستم عددی، آن را با اصول منطق و حساب تلفیق کند. ماشین‌های محاسباتی چارلز ببیج و ایده‌های آدا لاولیس نقطه عطف مهم دیگری بود که در ادامه  رخ داد. پس از آن بود که با استفاده از مکانیزم‌های مکانیکی چون رله‌های مکانیکی توانستند این منطق را به صورت سخت‌افزاری پیاده‌سازی کنند.

دوران پردازش الکترونیک

بر پایه تلاش‌های نظری افرادی چون جرج بول در سده نوزدهم میلادی و توسعه جبر و ریاضیات بولی و در ادامه پژوهش‌های کلود شنن در زمینه مدارهای منطقی و الکترونیکی در سده بیستم میلادی، نشان داده شد که می‌توان منطق ۰ و ۱ را در محاسبات را با استفاده از مدارهای الکتریکی (متناظر با خاموش یا روشن ) پیاده سازی کرد. نهایتا با اختراع لامپ‌های خلا، جایگزین بهینه‌تری برای رله‌های الکترومکانیکی پیدا شد. در نیمه نخست قرن بیستم، لامپ‌های خلا به جزئی کلیدی در مدارات الکتریکی بدل شدند که بدون آن‌ها توسعه رادیو، تلویزیون، رادار، دستگاه‌های ضبط و پخش صوت ناممکن به نظر می‌رسید. با همه گیر شدن این فناوری راه برای توسعه علمی به نام الکترونیک هموار شد.

رایانه‌های دیجیتال اولیه از لامپ‌های خلا به منظور ذخیره اطلاعات باینری بهره می‌بردند و هر لامپ خلا امکان بازنمایی یک مقدار باینری ۰ یا ۱ را داشت. این لامپ‌ها بسیار بزرگ و جاگیر بودند و گرمای زیادی تولید می‌کردند. این موضوع ضمن ایجاد مشکلاتی در پایداری مدار، نیاز به یک سیستم تهویه هوای قوی جهت خنک‌سازی کل مجموعه را اجتناب ناپذیر می‌کرد.

انقلاب ترانزیستوری

ویلیام شاکلی در همکاری با پژوهشگران دیگری در اواخر دهه ۴۰ میلادی ترانزیستور را اختراع کرد و یک دهه بعد ترانزیستورها جایگزین لامپ های خلأ شدند. ترانزیستورها در مقایسه با لامپ‌های خلا بسیار کوچک‌تر و کم مصرف‌تر بودند و در نتیجه امکان پیاده‌سازی دستگاه‌هایی کوچک‌تر، سریع‌تر و قابل اطمینان‌تر را فراهم کردند. ترانزیستور را می‌توان اسب پیشران سیستم‌های الکترونیک مدرن دانست. با اختراع ترانزیستور حوزه الکترونیک به کلی دگرگون شد. هر ترانزیستور در عمل نقش یک سوییچ کنترل‌پذیر را بازی می‌کند که می‌توان با فرمانی الکتریکی آن را خاموش یا روشن نگاه داشت. این ویژگی ساخت مدارات منطقی بسیار پیچیده را با چیدن و اتصال تعداد بسیار زیادی ترانزیستور در کنار هم امکان‌پذیر کرد.

این مدارات منطقی می‌تواند به صورت بسیار فشرده بر روی یک تراشه سیلیکونی تجمیع شوند (تراکمی در حد میلیون تا و یا میلیاردها ترانزیستور در هر سانتیمتر مربع) و با بسامد بسیار بالایی (به عنوان مثال ۱ میلیارد بار در ثانیه) خاموش و روشن شوند.

گامی بلند برای تولید انبوه

جک کیلبی از شرکت Texas Instruments در سال ۱۹۵۸ مدار مجتمع (IC) را اختراع کرد. اختراع او با استفاده از یک برش ژرمانیوم بود. چندی بعد رابرت نویس از شرکت Fairchild Semiconductors گام بعدی را در ساخت مدار مجتمع بر پایه سیلیکون انجام داد. با معرفی مدارات مجتمع در اوایل دهه ۶۰ میلادی امکان قرار دادن توان محاسباتی بسیار بیشتری در یک تراشه الکترونیکی کوچک فراهم شد.

مدارات مجتمع بسیار کوچک‌تر و کم مصرف‌تر بودند و امکان تولید انبوه آن تنها به صورت مکانیزه و با دقت و کیفیت بسیار بالا می‌بود. مدارات مجتمع راه‌حلی برای مصالح ساخت مداری با تعداد بسیار بالای قطعه الکترونیکی بودند و نهایتا در سال ۲۰۰۰ جایزه نوبل فیزیک به علت تلاش‌های کیلبی در توسعه این فناوری به او اعطا شد.

ایده نخستین این بود که به جای ساخت تک به تک ترانزیستورها به صورت جداگانه بتوان چندین ترانزیستور را هم زمان بر روی یک قطعه نیمه‌رسانا ایجاد کرد. به این ترتیب امکان ساخت ترانزیستورها و سایر ادوات الکترونیکی مانند مقاومت، خازن، دیود و … طی یک فرایند واحد فراهم می‌آمد.

یک مدار مجتمع از مجموعه‌ای از مدارات الکترونیکی بر روی یک تراشه بسیار کوچک از جنس نیمه‌رسانا تشکیل شده است به طوری که در مقایسه با مداری مشابه که از اتصال همان مدارات الکترونیکی اما به صورت جداگانه ایجاد شده باشد، بسیار کوچک‌تر خواهد بود. امروزه مدارات مجتمع بسیار بسیار فشرده شده‌اند و ممکن است تا میلیاردها ترانزیستور را در دل خود جای داده باشند. با پیشرفت پرشتاب فناوری‌های ساخت، فاصله میان این ادوات الکترونیکی در هر مدار مجتمع اکنون به کمتر از چند نانومتر رسیده است.

قانون مور: هنوز پابرجا

در طی سی سال گذشته، تعداد ترانزیستورها در واحد سطح به صورت تقریبی هر یک تا دو سال در حال دو برابر شدن بوده است. این پیشرفت خارق‌العاده در ساخت مدارات الکترونیکی به نام قانون مور شناخته می شود که به نام گوردون مور (یکی از بنیان گذاران شرکت Intel) نام گذاری شده است. او در نیمه های دهه ۶۰ میلادی این قاعده را بیان کرده بود.

پرتیراژترین ساخته بشر!

با اختراع MOSFET ( تکنولوژی خاصی در ساخت ترانزیستورها) در ۱۹۵۹ و فراگیری استفاده از آن‌ها در ساخت مدارات الکترونیکی و در ادامه با ورود تکنولوژی‌های بروزتری چون CMOS (استفاده ترکیبی از دو نوع متفاوت از MOSFETها) شدت فشرده‌سازی و تجمیع در تراشه‌ها با سرعتی نمایی ادامه یافت تا جایی که امروزه دیگر سخن از قرار دادن ده‌ها میلیارد ترانزیستور در هر IC به فاصله چند نانومتر از یکدیگر است. چنان که تخمین زده می‌شود تعداد ترانزیستور ساخته شده تا سال ۲۰۱۸ بالغ بر 1.3 * 10²² اعداد بوده است که از این تعداد ۹۹,۹% آن‌ها به شکل MOSFET تولید شده اند. به این ترتیب MOSFET ها را می‌توان پرتیراژترین ساخته دست بشر در طول تاریخ دانست.

عصر رایانه های شخصی

ریزپردازنده P4004 اینتل، نخستین ریزپردازنده جهان شناخته می‌شود که در سال ۱۹۶۹ به بازار عرضه شد. این نخستین قطعه نیمه رسانا در سطح یک تراشه بود که کارکرد کاملی از یک رایانه را در خود داشت. اختراع ریزپردازنده تا بیش از هر چیزی حاصل یک اتفاق بود تا یک طراحی از پیش تعیین شده.

یک شرکت ژاپنی از اینتل درخواست کرده بود تا مجموعه‌ای از مدارات مجتمع را برای ماشین‌حساب‌های آن‌ها طراحی کند. تد هاف، یکی از مهندسین اینتل، به علت غیربهینه بودن چنین طرحی آن را رد کرد. او با ارائه طراحی نو با استفاده از تعداد بسیار کمتری مدار مجتمع که شامل یک تراشه جهت محاسبات منطقی همه منظوره و یک حافظه از جنس نیمه‌رسانا جهت استخراج دستورالعمل‌ها بود، عمل ریزپردازنده ۴۰۰۴ ایتل را طراحی کرد این اختراع عملا سنگ بنای اولیه آن چیزی است که امروزه در رایانه‌های شخصی به عنوان واحد پردازش مرکزی (CPU) از آن یاد می‌کنیم.

گری کیلدال یکی از نخستین افرادی بود که به توانایی ریزپردازنده‌ها در جهت استفاده در رایانه‌های عمومی پی برد. توسعه ریزپردازنده‌ها منجر به ساخت نسل تازه‌ای از رایانه‌ها با هزاران مدار مجتمع جاسازی شده بر روی تنها یک تراشه سیلیکونی واحد شد. این تراشه حالا دیگر می‌توانست تمام اجزاء مورد نیاز یک رایانه را (از CPU تا حافظه تامدارات کنترل ورودی و خروجی و …) را در خود جای داد. در حالی که نسل‌های نخستین رایانه‌ها حجمی به اندازه یک اتاق را اشغال می‌کردند، این تراشه در فضایی کمتر از کف دست جای می‌گرفت. این جهش مهم فناوری نهایتا منجر به توسعه صنعت رایانه‌های خانگی شد.