Tietokonetekniikan historia

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Burroughsin mekaaninen laskukone vuodelta 1890

Tietokonetekniikan historia käsittää niin tietokoneen, tietotekniikka, automaation kuin laskennan ja ihmisen ajattelun samanaikaisen kehittymisen näiden suhteen. Nykyaikaisen tietokoneen kehitys alkoi sähköisistä laskentalaitteista ja kehitys on kulkenut rele- ja putkikoneista transistoritietokoneiden kautta mikrokontrollereihin ja mikroprosessoreihin. Ensimmäiset tietokoneet 1940-luvulla oli tehty sotilaallisiin tarkoituksiin, muun muassa Saksan ja Japanin salakirjoitusjärjestelmien murtamiseen. Tietokonetta käytettiin aluksi ensisijaisesti laskemiseen (vrt. engl. computer). Nykyään tietokone ohjaa monesti laajoja järjestelmiä, esimerkiksi tietokoneohjattua tuotantoa, ase-, tiedustelu- tai johtamisjärjestelmää, liikennevaloja, puhelinkeskuksia, Internetin reitittimiä, autoja, pesukoneita, lähes kaikkia teknisiä järjestelmiä. Nykyaikaisen yhteiskunnan teknologinen pohja on keskeisesti tietokonetekniikkaa.

Laskennan ja matemaattisen kielen kehittyminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tietotekniikan kehityksen ensi askeleena voidaan pitää puhutun kielen kielioppia, joka laajensi kielen ilmaisukykyä.[1] Sivilisaatioiden syntyessä hallinnolle ja kaupalle tärkeämmät numerot ja laskenta kehittyivät usein ennen kirjoitustaitoa.[2] Ensimmäisenä laskukoneena voidaan pitää helmitaulua. Seuraava askel automaation suuntaan oli reikäkortin käyttöönotto Joseph Marie Jacquardin kutomakoneissa. Herman Hollerith sai vuoden 1890 Yhdysvaltain väestönlaskennan johtajalta tehtäväksi mekanisoida tiedonkäsittelyä. Hollerith tunsi Jacguardin kutomakoneen. Hollerith kehitti menetelmän, jossa korttien reikien läpi menevä tikku kytki sähköimpulssit, joita sitten laskettiin. Vuoden 1880 väestön laskennan tuloksia oli laskettu 7 vuotta ja nyt päästiin kahteen ja puoleen vuoteen, vaikka henkilöä kohti kerättiin aikaisemman viiden kysymyksen sijasta 200 kysymystä. Hollerith perusti yrityksen nimeltä "Tabulating Machine corporation" TMC. Vuoden 1910 väestönlaskenta annettiin hintasyistä toisille yrityksille ja TMC joutui taloudellisiin vaikeuksiin. TMC yhdistyi kolmen muun alan yrityksen kanssa, jolloin toimitusjohtajaksi ja pääomistajaksi tuli Thomas J. Watson. Hän muutti yrityksen nimeksi myöhemmin "International Business Machines" IBM.[3]

Tietokoneiden kehittyminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tietokonesukupolvet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Etenkin vanhemmassa kirjallisuudessa tietotekniikan historia kuvataan usein jakamalla tietokoneet neljään sukupolveen:

  • rele- ja putkikoneet
  • transistorikoneet
  • mikropiirikoneet
  • mikroprosessorikoneet

Mekaanisen ja sähkömekaaniset tietokoneet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

1820-luvulla Charles Babbage (1791–1871) pystyi esittämään tietokoneen toimintaperiaatteen. Babbage laati suunnitelman mekaanisesta laskukoneesta logaritmitaulukoiden laskemiseksi ja onnistui saamaan sille rahoituksen Englannin valtiolta. Babbage ei koskaan saanut valmiiksi differenssikonetta, kun hän keskittyi analyyttiseksi koneeksi kutsutun ohjelmoitavan koneen kehittämiseen. Siinä oli nykyaikaisen tietokoneen pääosat kuten tiedon syöttö, ohjelma, muisti ja tulostin. Kirjeenvaihdossa Ada Lovelacen (1815-1852) he keskustelivat sellaisista tietotekniikan käsitteistä kuin operaatio ja muuttuja.[4] Babbage keksi reikäkorttien avulla kaksi ohjelmoitavan tietokoneen periaatetta, reikäkorttien sisällön määrämän suoritusjärjestyksen eli pakotetun hypyn sekä ehdollisen hypyn. Babbagen keksintö avasi automaatiolle rajattomien toimintamahdollisuuksien maailman. Babbagen poika Henry Babbage rakensi tietokoneen keskusyksikön osajärjestelmän, joka toimi kuten oli suunniteltu. Tämä laite lahjoitettiin Harvardin yliopistolle 1886. Yli puolivuosisataa myöhemmin sen löysi Howard Aiken. Aiken paneutui Babbagen julkaisuihin ja oivalsi, että uusilla sähköisillä ratkaisuilla Babbagen ideat voidaan toteuttaa. Aiken meni keskustelemaan ideoistaan IBM:n pääjohtajan Thomas Watsonin kanssa. IBM:stä tuli 1950-luvulla johtava tietokoneiden valmistaja.[5]

Vuonna 1936 Alan Turing (1912-1954) esitteli teoreettisen tietokoneen periaatteen, Turingin koneen, jossa hän tutki algoritmisen ongelman ratkaisun rajoja. John von Neumann (1903-1957) ehdotti 1940-luvulla ohjelman siirtämistä muistiin tietokoneen toiminnan nopeuttamiseksi ja määritteli nykyaikaisen tietokoneen arkkitehtuurin. Bitti-käsitteen esitti Claude Shannon (1916-2001) vuonna 1948.[6]

Konrad Zuse rakensi ensimmäisen ohjelmoitavan laskukoneen Saksassa 1941. Aiken rakensi 1943 IBM:n avulla ensimmäisen tietokoneen Harvard Mark I. Ensimmäinen elektroninen tyhjiöputkiin ja releisiin perustuva tietokone ENIAC valmistui vuonna 1945. ENIAC suoritti 385 kertolaskua sekunnissa. Nykyinen mikroprosessori on noin 3 000 000 kertaa ENIACia nopeampi. Transistorien ja tietokoneiden sarjatuotanto alkoi vuonna 1951. 50-luvun päättyessä maailmassa oli 3 000 tietokonetta.[7] Ensimmäiset tietokoneet ohjelmoitiin konekielilla, joista sitten kehittyi helpommin ymmärrettäviä ohjelmointikieliä.

Varhaisissa tietokoneissa 1940-luvulla käytettiin peruskomponentteina yleensä joko elektroniputkia tai sähkömekaanisia releitä. Liikkuvat osat rajoittivat sähkömekaanisten koneiden nopeuden enintään muutamiin kymmeniin laskutoimituksiin sekunnissa, kun taas täysin elektroniset putkitoteutukset suorittivat samassa ajassa useita tuhansia operaatioita. Komponentit olivat kuitenkin joka tapauksessa suurikokoisia, epäluotettavia ja kuluttivat paljon energiaa.

Ensimmäiset tietokoneet aikajanalla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kysymys ensimmäisestä tietokoneesta ei ole kovin yksiselitteinen, sillä tietokoneen määritelmät vaihtelevat, ja useimmat varhaiset laitteet jättävät joitakin yleisiä vaatimuksia täyttämättä. Muun muassa seuraavassa lueteltuja laitteita on pidetty ensimmäisenä tietokoneena:

  • Charles Babbagen Analyyttinen kone (1837) - ensimmäinen yleiskäyttöisen tietokoneen tekninen kuvaus[8]. Toteutus jäi pahasti kesken, mutta koneelle suunniteltu konekieli todettiin yli sata vuotta myöhemmin Turing-täydelliseksi.
  • Konrad Zusen Z1 (1937) - ensimmäinen ohjelmoitava binääriaritmetiikkaa käyttänyt laskukone, saksalainen. Z1 oli rakenteeltaan täysin mekaaninen ja käytössä hyvin epäluotettava. Laitteessa oli pieni hajasaantimuisti (64 sanaa), mutta käskyt luettiin muistin sijaan reikänauhalta, eikä käskykantaan kuulunut hyppykäskyjä.
  • Konrad Zusen Z3 (1941) - ensimmäinen luotettava ohjelmoitava binäärilaskukone[9]. Vastasi loogisilta ominaisuuksiltaan Z1:tä mutta oli toteutettu releillä ja oli sen myötä riittävän luotettava insinöörien työkäyttöön. Zusen varhaiset koneet tuhoutuivat sodassa, joten niiden asema tunnustettiin vasta suhteellisen myöhään.
  • Atanasoff-Berry Computer (1942) - ensimmäinen täysin elektroninen binäärilaskukone, amerikkalainen. Ei sisältänyt varsinaista ohjelmoitavuutta vaan oli tarkoitettu pelkästään yhtälöryhmien automaattiseen ratkaisemiseen.
  • Harvard Mark I (1944) - amerikkalainen relepohjainen laskukone. Vastasi ohjelmointiominaisuuksiltaan suunnilleen Z3:ea mutta käytti desimaalijärjestelmää binäärijärjestelmän sijaan.
  • Colossus (1944) - ensimmäinen täysin elektroninen tietokone, brittiläinen. Suunniteltiin varta vasten salakirjoituksen murtamiseen eikä ollut yleiskäyttöinen vaikka olikin jossain määrin ohjelmoitavissa.
  • ENIAC (1945)[10] - ensimmäinen täysin elektroninen yleiskäyttöinen tietokone, amerikkalainen. ENIAC oli Turing-täydellinen, mutta sen ohjelmointi vaati fyysistä johtojen uudelleenvetämistä.
  • SSEM (1948) - ensimmäinen prototyyppi von Neumannin arkkitehtuurin toteuttavasta tietokoneesta, brittiläinen. Ei ollut kovinkaan käyttökelpoinen vaan tarkoitettu lähinnä teknisten ideoiden testaamiseen.
  • EDSAC (1949) - ensimmäinen käyttökelpoinen von Neumannin arkkitehtuurin toteuttanut tietokone. Brittiläinen.

Colossus kehitettiin natsien viestiliikenteessä käyttämän salauksen purkamiseen. Koska kyse oli tiedustelutoiminnasta, Britannian hallituksen salassapitomääräys koski myös Colossusta. Yhdysvaltalaisen ENIACin käyttötarkoitusta, tykistön ampumataulukoiden laskentaa, ei sen sijaan luokiteltu salaiseksi, joten ENIACin dokumentaatio voitiin julkistaa heti 2. maailmansodan päätyttyä.

Transistoreihin perustuvat tietokoneet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

CMOS-mikropiirin ohutkalvorakenne, joka pystytään tekemään muutaman kymmenen nanometrin viivanpaksuudella eli johtimen leveydellä.

1950-luvun jälkipuoliskolla otettiin käyttöön puolijohteisiin perustuvat transistorit, jolloin tietokoneiden komponentit ja energian tarve pienenivät oleellisesti ja luotettavuus parani. 1960-luvulla siirryttiin mikropiireihin, mikä pienensi jälleen komponenttien kokoa. Alkoi Mooren lakina tunnettu kehitys, jossa samalle mikropiirille saatiin kaksinkertainen komponenttimäärä puolessatoista vuodessa. Seuraava mullistus oli mikroprosessorin keksiminen, joka mahdollisti henkilökohtaisen tietokoneen eli PC:n synnyn. 1980- ja 1990-luvuilla siirryttiin suuritiheyksisiin mikropiireihin (VLSIC) ja edelleen suurnopeuksisiin mikropiireihin (VHSIC). 2000-luvun merkittävimmät kehitysaskelet lienevät yhä voimissaan olevan Mooren lain mahdollistama usean suorittimen mahduttaminen samalle mikropiirille, joka on mahdollistanut moniydin-prosessorien kehittämisen, sekä suorittimien kehityksen painopisteen siirtyminen nopeuden asemasta virrankulutuksen optimointiin.

Mikropiirien kehitys 1960-luvun alussa toi tietokoneet sotilaslentokoneisiin, ohjuksiin ja osaan avaruusaluksista 1970-luvun alkuun mennessä. Mikropiirit tehdään piikiekolle erilaisilla ohutkalvon kasvatus -menetelmillä. Halpojen mikropiirien vyöryn aloitti CMOS-tekniikka 1970-luvulla.[11]

Mikroprosessori (suoritin)[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mikroprosessori on tietokoneen keskusyksikkö, "aivot", yhdellä mikropiirillä. Ensimmäinen mikroprosessori, Intelin 4004 vuodelta 1971, sisälsi noin 2 300 transistoria. Sen kellotaajuus eli nopeus oli 0,1 MHz, kerralla käsiteltävän tiedon leveys 4 bittiä (yksi numero), ja se pystyi käsittelemään 0,06 miljoonaa käskyä sekunnissa.

Kolmekymmentä vuotta myöhemmin, vuonna 2001, uusin mikroprosessori Intelin perheessä oli Itanium. Se sisälsi noin 25 000 000 transistoria, sen kellotaajuus oli 733 MHz, kerralla käsiteltävän tiedon leveys oli 64 bittiä (16 numeroa), ja Itanium pystyi suorittamaan 7 491 miljoonaa käskyä sekunnissa.

Mooren lain ennuste mikropiirillä olevien transistorien määrän kaksikertaistumisesta 18 kuukauden välein on pitänyt hämmästyttävän hyvin paikkansa. Toisaalta CMOS-rakenteessa ei vuosikymmeniin ole juuri muuta muutettu kuin kasvatettu pakkaustiheyttä.[12]

Mikrotietokoneet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

1970-luvun loppu toi mikrotietokoneen, joka muodostui pian yleiseksi kodinkoneeksi ja toimistotyökaluksi. Tietokoneiden kapasiteetin kasvaessa on myös ohjelmistojen koko ja käytettävyys kasvanut. 80-luvulla käytiin taistelua mikrotietokoneiden käyttöjärjestelmistä. Markkinajohtajaksi nousi IBM:n PC ja Microsoftin MS-DOS-käyttöjärjestelmä ja 1990-luvulla sen seuraaja Windows. Elektroninen konekirjoittaminen ja arkistointi laajeni 1990-luvun lopussa Internetin kautta laajaksi sähköisten tietokantojen ja tietoliikenteen infrastruktuuriksi.[13] Digitalisoituminen on ilmiö, jossa mikropiirejä liitetään kaikkiin koneisiin. Autojen polttomoottoreiden pakokaasujen puhtautta ja moottorin hyötysuhdetta pystytään parantamaan mikropiiriohjausjärjestelmien avulla.[14] Matkapuhelimista on tullut monitoimisia tietokoneita ja tietoverkkojen päätelaitteita, joihin on yhdistetty kamera, soitin ja GPS-paikannusjärjestelmä.

IBM PC:n merkitys oli siinä, että IBM suurena yrityksenä toi uskottavuutta mikrotietokoneiden kehityssuuntaan ja teki niistä myös monien yritysten silmissä varteenotettavia vaihtoehtoja keskuskonepohjaisille ratkaisuille. IBM PC -sarja ja sen kanssa yhteensopivat koneet olivatkin suosittuja ammattilaiskoneita koko 1980-luvun ajan. Toimistotyössä PC tuotti suuria muutoksia, kun konekirjoittajat ja sihteerit korvattiin ATK-tallentajilla ja johtajat joutuivat itse kirjoittamaan omat kirjeensä ja raporttinsa.[15]

Varhaisia mikrotietokoneita[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Koti- ja yrityskäyttöön soveltuva mikrotietokone Apple II tuli markkinoille vuonna 1977, samana vuonna kuin Commodore PET, TRS-80 ja suomalainen Telmac. IBM PC julkaistiin vuonna 1981[16] ja se valtasi nopeasti alaa yritys- ja korkeakoulukäytössä. Tämän koneen mukaan rakennetuista tietokoneista tuli myöhemmin käytännön standardi henkilökohtaisena tietokoneena. 1980-luvulla tuli markkinoille useita kotitietokoneita, kuten vuonna 1982 Commodore-64 ja ZX Spectrum.

Muistien ja tiedontallennusvälineiden historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Keskusmuistit (työmuistit):

Massamuistit (pitkäkestoiset muistit):

Tietokoneiden oheislaitteiden historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Syöttölaitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Näyttölaitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Tietokonenäyttö
  • Teletype (paperipääte)
  • CRT
  • LCD

Äänentoisto ja -tallennus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Käyttöliittymät[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tulostimet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Tulostin
  • kiekkokirjoittimet
  • rivikirjoittimet
  • matriisitulostimet
  • lämpökirjoittimet
  • lasertulostimet kaupallisesti saatavilla 1970-luvun lopusta lähtien
  • mustesuihkutulostimet
  • sublimaatiotulostimet

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kirjallisuutta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Chaline, Eric: 50 konetta, jotka muuttivat maailmaa (50 Machines that Changed the Course of History). Quid Publishing, (suom. versio Moreeni 2013), 2012. ISBN 978-952-254-160-4. Suomi
  • Gleick, James: Informaatio. Suom. Veli-Pekka Ketola. Helsinki: Art House, 2013 (eng versio 2011). ISBN 978-951-884-498-6.
  • Kero, Reino ja Kujanen, Hannu (toim.): Kivikirveestä tietotekniikkaan, tekniikan sosiaalihistoriaa kivikaudesta nykypäivään. Turku: Turun yliopiston historian laitos, 1989. ISBN 951-880-296-3.
  • Mahajan, Shobhit: Keksinnöt ennen ja nyt. Suom. Eetu Hiltunen. Tandem Verlag Gmbh, 2008. ISBN 978-3-8331-4819-4.
  • Wiio, Antti: Kun tietotekniikka muutti maailmaa, Vallankumoukselliset IT-keksinnöt kivikaudelta nykypäivään. Espoo: Tecnologos Oy / Deltakirjat, 2007. ISBN 978-951-96141-2-0.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Wiio 2007, s. 48
  2. Wiio 2007, s. 55
  3. Wiio 2007, s.211-214
  4. Gleick sivut 123-125
  5. Wiio 2007, s.215-224
  6. Gleick sivut 10-12
  7. Kivikirveestä tietotekniikkaan, Reino Kero: "Atomiajasta" ATK-aikaan ja geeniteknologiaa, s. 286–290 .
  8. The Analytical Engine, The First Computer; John Walker, Fourmilab
  9. May 12, 1941: Fog of War Shrouds Computer Advance; Wired 5.12.2008
  10. Paul E. Ceruzzi: A History of Modern Computing, sivu 21; MIT Press 2003
  11. Intel julkisti 1971 4004-mikropiirin Tekniikka & Talous. Viitattu 15.11.2011.
  12. Intelin 45nm node julkistusuutinen 27.1.2007. The New York times. Viitattu 23.1.2012.
  13. Petteri Järvinen: Mikrojen historia 1975-1997 Tietokone-lehti 11/97. Viitattu 26.1.2012.
  14. Mahajan, s. 81.
  15. Chaline sivu 203
  16. History of IBM, 1981; IBM

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]