Magyar tudósok az informatika fejlődéstörténetében

Az előadások a következő témára: "Magyar tudósok az informatika fejlődéstörténetében"— Előadás másolata:

1 Magyar tudósok az informatika fejlődéstörténetében

2 Neumann hatása a számítástechnikára
Mielőtt rátérnék a számítógépekkel kapcsolatos munkásságára, leírom életútjának főbb lépéseit.: Neumann János ( ) magyar-amerikai matematikus, vegyészmérnök és feltaláló volt December 28 -án született Budapesten. Már érettségi bizonyítványának megszerzésekor hivatásos matematikusként tartották számon, mégis berlini és zürichi egyetemi évei után 1925-ben vegyészmérnöki oklevelet szerzett. Majd 1926-ban Budapesten matematikából doktorált Fejér Lipótnál től a hamburgi, 1929-től a berlini egyetemen oktatott ban hívták meg Princetonba, az Egyesült Államokba ben kapta meg az amerikai állampolgárságot től foglalkozott a számítógépek fejlesztésével. Az ENIAC tervezésébe és építésébe 1945-ben csatlakozik, és az ENIAC hibái alapján elkészíti a First Draft of Report on the EDVAC by John von Neumann (Az EDVAC-ról szóló jelentés első vázlata) című munkáját, amelyben leírja a mai modern számítógép felépítésével illetve a működésével szembeni követelményeket : Teljesen elektronikus számítógép. Kettes számrendszer alkalmazása. Aritmetikai egység alkalmazása (univerzális Turing-gép). Központi vezérlőegység alkalmazása. Belső program- és adattárolás. Ezek az elvek új fejezetet nyitottak a számítástechnika történetében. Neumann elvei alapján készülnek a mai modern számítógépek is. Az első Neumann elvei alapján működő számítógép az EDSAC volt, amelyet az angliai Cavendish Laboratóriumban építettek. Ezt követte az EDVAC.

3 A számítástechnika fejlődése napjainkig
Mielőtt rátérnék Neumannak az EDVAC -kal kapcsolatos munkásságára, még el kell magyaráznom mi az a késleltető művonal, és hogy lehet ezt felhasználni egy elektronikus számítógépben. Ez nagy jelentőségű eszköz volt, ugyanis nagyban hozzájárult a számítógép méretének csökkentéséhez. Ezek olyan eszközök voltak, amelyek bizonyos előre meghatározott hosszúságú idővel tudták késleltetni az elektromos jeleket. Ezek működhetnek ultrahangos alapon. Ezek az ultrahangos eszközök úgy működnek, hogy a késleltetni kívánt elektromos jelet ultrahangjellé alakítják át ezt valamilyen folyadékon keresztülvezetik, majd ismét visszaalakítják elektromos jellé. A késés abból a tényből fakad, hogy a jelek a folyadékon sokkal lassabban haladnak át, mint az elektromosság a vezetéken. Higanyban például egy ilyen jel sebessége 1450 m/s, míg az elektromos jel sebessége a vezetékben a fény m/s-os sebességéhez áll közel. Ha tehát megfelelően választjuk meg a folyadékot tartalmazó edény hosszát, akkor előre meghatározott nagyságú késleltetés érhető el. A működése a következő: ha a cső elején elhelyezett kristályt elektromos impulzus éri , a kristály rezgésbe jön, ennélfogva hanghullámokat küld a higanyon keresztül, másodpercenként 1450 méteres sebességgel. Ha e hanghullám megérkezik a cső másik végére, ott nyomást gyakorol a kimeneten levő kristályra, amire az elektromos jelet bocsát ki. Ez a bemenő jel d/1450 másodperccel késleltetett pontos másolata, ahol a d a cső méterben kifejezett hossza. Az a kérdés, hogy ez hogyan használható információk tárolására. Képzeljük el, hogy a bemenő és kimenő vezeték össze van kötve. Ekkor elvileg bármilyen hangminta periodikusan ismétlődik a higanyban. Ez abból következik, hogy a kimeneti kristályt elérve a hangminta átalakul megfelelő elektromos jellé és ekként ismét megjelenik a bemeneti kristályon, ahol visszaalakul eredeti hangmintává. Azonban ez a modell irreális, minthogy a vezetékben és a higanyban fellépő veszteség megakadályozza, hogy a készülék időtlen időkig működjék. Az energiaveszteség pótlására szükség van egy erősítőre (tíz elektroncsőből áll). Ez a rendszer látható a következő ábrán.

4 Az I. generáció : Elektroncsöves számítógépek
Neumann János ( ) magyar-amerikai matematikus, vegyészmérnök és feltaláló volt December 28 -án született Budapesten. Már érettségi bizonyítványának megszerzésekor hivatásos matematikusként tartották számon, mégis berlini és zürichi egyetemi évei után 1925-ben vegyészmérnöki oklevelet szerzett. Majd 1926-ban Budapesten matematikából doktorált Fejér Lipótnál től a hamburgi, 1929-től a berlini egyetemen oktatott ban hívták meg Princetonba, az Egyesült Államokba ben kapta meg az amerikai állampolgárságot től foglalkozott a számítógépek fejlesztésével. Az ENIAC tervezésébe és építésébe 1945-ben csatlakozik, és az ENIAC hibái alapján elkészíti a First Draft of Report on the EDVAC by John von Neumann (Az EDVAC-ról szóló jelentés első vázlata) című munkáját, amelyben leírja a mai modern számítógép felépítésével illetve a működésével szembeni követelményeket : Teljesen elektronikus számítógép. Kettes számrendszer alkalmazása. Aritmetikai egység alkalmazása (univerzális Turing-gép). Központi vezérlőegység alkalmazása. Belső program- és adattárolás. Ezek az elvek új fejezetet nyitottak a számítástechnika történetében. Neumann elvei alapján készülnek a mai modern számítógépek is. Az első Neumann elvei alapján működő számítógép az EDSAC volt, amelyet az angliai Cavendish Laboratóriumban építettek. Ezt követte az EDVAC.

5 IAS 1948 -ban Wallace Eckert megépítette az SSEC -et (Selective Sequence Electronic Calculator - szelektív soros, elektronikus számológép) az IBM részére jelfogót és rádiócsövet (elektroncsövet) tartalmazott. Az aritmetikai műveleteket az elektroncsövek segítségével végezte el és így 100 -szor gyorsabb volt, mint a MARK I. Hierarchikus memóriaelrendezése volt : volt egy kis kapacitású, elektroncsövekkel működő, nagy sebességű tárolója egy nagyobb kapacitású, amely jelfogókat használt és egy rendkívül nagy, ahol az információk tárolására 80-oszlopos papírszalagokon történt. A gép 14 tizedesjegyű számokat 20 ms alatt szorzott össze. E két kiváló tudós távozása (Eckert és Mauchly) a Moore Intézetből és az, hogy Neumann is visszatért a Felsőfokú Tanulmányok Intézetébe, e két esemény megpecsételte a Moore Intézet sorsát abból a szempontból, hogy elveszítette a vezető szerepét a számítógép fejlesztés területén. Ezt a szerepet a princetoni Felsőfokú Tanulmányok Intézete (Institute for Advanced Study =IAS) vette át. Itt épült meg Neumann vezetésével az IAS számítógép (lásd 14. ábra). Hívták még princetoni gépnek vagy Neumann féle gépnek. A gép re készült el. A gépnek négy fő része volt : az aritmetikai egység, a memória, egy vezérlőegység és egy be-, ill. kiviteli egység. A memória hierarchikus felépítésű volt. A legbelső(központi) egy elektronikus sebességű memória, amelyben 1000 darab 40 digitális jegyből álló számot lehetett tárolni. A második szintű egy sokkal nagyobb kapacitású mágnesdobos memória (1933 -ban G. Tauschek osztrák mérnök szabadalmaztatta) volt. A harmadik szintű pedig a lyukszalag vagy lyukkártya volt.

6 A vezérlőegység léátrehozása
A vezérlőegység létrehozása volt a legnehezebb. Illetve a gép kódrendszerének kidolgozása is okozott gondokat. Olyan kódra volt szükség, amelynek tartalmaznia kellett minden elemi aritmetikai művelethez egy utasítást, és létezniük kellett olyan utasításoknak, amelyek a memória és az aritmetikai egység közötti összeköttetést biztosították. Biztosítani kellet az információ átvitelének két módját : az egyik a teljes, amikor egy számot átviszünk a memóriába a másik a részleges, amely lehetővé teszi, hogy a berendezés módosítsa saját utasításait. Szükség volt még vezérlésátadó utasításokra. Ez kétféle lehet: feltételes vagy feltétel nélküli. Végül létezniük kellett olyan utasításoknak, amelyek a be-, ill. kiviteli egységet a berendezéshez csatlakoztatják. A gép kettes számrendszert használt, amely természetesen nem jelentette azt, hogy az adatokat kettes számrendszerben kellett begépelni, hanem a gép automatikusan átváltotta a tízes számrendszerű számokat kettesbe. A számok tárolása párhuzamosan történt, vagyis ez azt jelenti, hogy a szám számjegyeit egy-egy párhuzamosan elhelyezett tárolóeszközben tárolták. így az IAS egy párhuzamos működésű gép volt. Minden utasítás csak egy memóriapozíció sorszámát, azaz címét tartalmazta. Ily módon egy összeadáshoz legfeljebb három különböző utasításra volt szükség. Először egy mennyiséget át kellett vinni az egyik címről az aritmetikai egységbe, másodszor el kellett hozni egy mennyiséget egy másik címről és hozzáadni ahhoz, amelyik már az aritmetikai egységben volt harmadszor pedig az eredményt egy harmadik címen kellett tárolni. A memória nem késleltető művonalas volt hanem, Williams katódsugárcsöveiből épült fel. Ezek a következőképpen voltak felhasználhatók információ tárolás céljára. Pontosan annyi cső volt ahány bináris jegyből állt egy szó. Valamennyi cső eltérítőrendszerét párhuzamosan kapcsolták össze, így az elektronnyaláb minden csőben ugyanarra a pozícióra irányult. Ily módon egy szót úgy tároltak a memóriában, hogy annak egy - egy jegyét az egyes csövek megfelelő pozíciójára írták fel. Ha az információt egy fluoreszkáló ernyőn elektromos töltés formájában tároljuk, az fokozatosan elszivárog. Ha viszont az információt bizonyos időközönként ismételten kiolvassuk aztán újra tároljuk, akkor az lényegében örökké megmarad. Ezt a folyamatot meg lehetett szakítani és a gépet hasznos munkára utasítani. IAS gép ezen az elven felépülő memóriája 60 -szor gyorsabb tárolási műveleteket tett lehetővé mint, az EDVAC típusú gépek memóriája. A Williams csöveknek voltak elég komoly hibái is, ilyen volt például, hogy ha egy adott pont kiolvasására vagy beírására túl sokszor került sor anélkül, hogy annak egész környezetét regenerálni kellett volna, előfordulhatott, hogy eltévedt elektronok átszivárogtak a szomszédos pontokra és azok bináris állapotát a helyesről hibásra változtatták át.

7 Ferritgyűrűs memória A Williams -féle csöveket Jay Wright Forrester találmánya a ferritgyűrűs memória szorította ki. A ferrit egy mágnesezhető kerámia anyag. Egy aprócska (0,25 - 0,5 - 2 mm, lásd 15. ábra) gyűrű ebből az anyagból egy bitet tud tárolni, amelyet ha a mágnesezett állapota az egyik irányba mutat, akkor egynek, ha a másik irányba, akkor pedig nullának értékelik. A ferritgyűrűs tároló működési elve a következő : minden bináris szónak egy ferritgyűrűkből álló mátrix felel meg, amelynek száma a címszóhosszal egyenlő. A gyűrűket sakktáblaszerű koordinátahálóba rendezték. Minden egyes sor valamennyi gyűrűjén keresztül egy-egy közös drótszál húzódik, hasonlóan minden egyes oszlop valamennyi gyűrűjén is egy közös drótszál vezet keresztül. Végezetül még egy külön drótot hurkolnak át valamennyi gyűrűn. Ha például az első sor és a második oszlop kereszteződésénél levő gyűrűbe az egy információt kell beírni, akkor az első sorvezetéken és a második oszlopvezetéken is a gyűrű mágneses telítettségének az eléréséhez szükséges áram felét folyatják át. Amennyiben most majd az ebben a gyűrűben tárolt információt kell kiolvasni, akkor mindkét vezetéken az előbbivel azonos nagyságú, de ellentétes irányú (negatív) áramokat kell átfolyatni. Ezáltal a gyűrűben átmágneseződés történik, ami a valamennyi gyűrűn áthaladó vezetékben áramlökést indukál. E vezetékszál végén egy jel keletkezik, ami a tárolt értéket egynek mutatja. Ha a gyűrűt negatívan (fordított irányban) mágnesezték, akkor a negatív áram nem vált ki átmágneseződést, ez nem okoz áramindukciót, következésképpen a közös drótszál kimenetén a nulla jelet (nincs áram) eredményezi. Egy tárológyűrű kiolvasása törli annak információ tartalmát. Ezért gondoskodni kell az újra írásról, természetesen akkor ha szükségünk van még arra az információra. A ferritgyűrűs memóriák elsősorban bonyolult és nem automatizálható szerelési technológiájuk, javíthatatlanságuk, viszonylag nagy méretük, valamint korlátozott írási-olvasási sebességük miatt a 70 -es években eltűntek a számítógépekből.

8 A II. generáció: Félvezető alapú gépek (1959 - 64)
Amikor még csak a Hollerith-gép csillagászatban való felhasználásával kísérleteztek, akkor már a tranzisztor elvet elméletben felismerték (Julius Lilienfeld német fizikus, 1928.). Tehát a tranzisztor elvi működését már meglepően korán felfedezték. De mire az elméletből gyakorlat lett addig hosszú időnek kellett eltelnie. Egészen ig, amikor O. Heil német fizikus szabadalmaztatja a térvezérlésű tranzisztort. Majd még 14 évre van szükség, amíg ban a tranzisztor áramköri építőelem lett. Ettől az évtől kezdve még kb. tíz év kell ahhoz, hogy ezeket számítógépekben is felhasználják. Tehát a tranzisztor elvtől kb. 30 évnek kell eltelnie ahhoz, hogy a tranzisztort a számítógép építésben is felhasználják. Ezek a gépek diódákból és tranzisztorokból épültek fel. Ezek a félvezető elemek megbízhatóbbak, olcsóbbak, kisebb energia igényűek és sokkal kisebb méretűek mint az eddig felhasznált elektroncsövek. Az első teljesen tranzisztorokból felépülő számítógép márc. 19-én készült el az USA-ban a Bell Laboratories -nál. A gépet J. H. Felker készítette, a gép a TRADIC nevet kapta. De igazi elterjedésük től ment végbe. A tranzisztoros gépekről általában elmondható volt, hogy kisebb méretűek, csekély mértékű meghibásodásúak, alacsony áramigényűek és olcsóak voltak. A tranzisztoros gépek már elérték az ezer művelet/másodpercet, s a térfogatuk egy köbméter alá csökkent. A tranzisztor itt csak mint kapcsoló elem szerepel, ugyanúgy mint az elektromechanikus jelfogó azaz relé az elektromechanikus számítógépekben. Memóriaként ferritgyűrűs memóriát, külső tároló eszközként mágnesszalagot, majd később mágneslemezt használtak. Rendszertechnikailag jelentős változást jelentett a központi egységtől független, azzal párhuzamosan működő önálló csatorna. A csatornák a be-, ill. kimeneti egységek szerepét vették át. A számítógép struktúrája memóriacentrikussá vált. Megjelentek a gépcsaládok. Ezek különböző teljesítményű, azonos módon programozható, azonos perifériákat használó kompatíbilis számítógépeket jelentenek. A legismertebb az IBM 360 -as gépcsalád volt. De ezekben az években nem csak a számítógépek fejlődtek, hanem a hozzájuk kapcsolódó perifériás eszközök is. Ilyen eszköz volt az első scanner (lásd 16. ábra) vagy elektronikus képletapogató. Ezt ben készítették Angliában, az EMI cégnél. A letapogatásnál a vizsgálandó, tárolandó képet fény- vagy elektronsugár soronként végigpásztázza. Eközben egy érzékelővel, pl. egy fotocellával minden sorban pontról pontra meghatározzák a visszavert sugár erősségének változását, és azt a számítógép tárolójában rögzítik. A kapott adatokat ott tovább feldolgozhatják.

9 A III. generáció: Integrált áramkörös gépek (1965 - 71)
Az első integrált áramkörös gépek az IBM 360 -as (pl.: IBM System-360, lásd 17. ábra), majd 370 -es sorozata. Ezek a gépek elérték az 1 millió művelet/s -ot, de ezek a gépek nem vagy csak részben hasonlítanak a ma is használatos személyi számítógépekre. Hiszen a számkijelző LED -ekből állt, és monitorokat használtak a kijelzéshez, az információ megjelenítéséhez. A később megjelenő zsebszámológépek kijelzője is LED -ekből állt. Ezeknek a gépeknek a fejlődésével vált lehetővé, az első integrált áramkörös asztali számítógép megépítése. Az angol Norman Kitz építette meg az első asztali gépet, az Anita Mark-8 -at ben. Ez a gép, és az ehhez hasonló gépek alig tudnak többet a négy alapműveletnél. Azonban hamarosan megjelennek a kereskedelemben, olyan készülékek, amelyekben magasabb matematikai függvények - gyökvonás, exponenciális függvények, logaritmusok, szögfüggvény - is be vannak programozva. Ezek a gépek hamar elterjednek széles körben, így lehetővé válik a tömeges gyártásuk, ami hozza magával az árcsökkenést. Ez a generáció az előző generációhoz képest ismét nagy sebesség növekedést, méret- és teljesítmény felvétel csökkenést jelentett. Az olcsó áramkörök a kisszámítógépek (mini computer) gyártásának és alkalmazásának elterjedését eredményezte. Felépítésükre jellemző a funkcionális egységeket összekötő egységes sín-busz rendszer, és általánossá válik a nagy kapacitású, olcsó félvezető tárak alkalmazása.

10 A buborék memória Ezekben az években, pontosabban ban találják fel úgynevezett buborék memóriákat. Ezek a memóriák a későbbi generáció számítógépeiben fontos szerepet fognak betölteni. A buborék memória olyan információ tároló egység, amely a következőképpen épül fel : 1 m vastagságú, vassal szennyezett gránátrétegből áll, amelyet nem mágneses tulajdonságú gránátra visznek fel. Ebben a rétegben (a vassal szennyezett gránát réteg) külső mágneses mező hatására néhány mikrométer átmérőjű kis területek (buborékok) mágneseződnek. A mágnesezett terület jelenti az 1 -est, a mágnesezettség hiánya pedig a 0 -át. Változó mágneses erőterek alkalmazásával ezek a mágneses buborékok eltolhatók. Ezáltal lehetségessé válik az információk gyors tárolása, törlése és átírása. Az információk még a tápfeszültség kimaradása esetén sem törlődnek. A másik előnye, hogy a memória nagyon kis méretű. A laboratóriumi példányokon bit/mm2 tárolósűrűséget érnek el. A hozzáférési idő kb másodperc. Az új géptípus magával hozta a programozási nyelvek második generációját is : a PL/1 és Basic mellett ekkor alakult ki a Pascal nyelv is. Új operációs rendszer a Unix is ezekben az években jelenik meg.

11 A IV. generáció : Magas integráltságú fokú áramkörök, a mikroprocesszorok elterjedése (1971 - )
Azzal, hogy ben elkészült az első LSI áramkört tartalmazó számítógép, létrejöttek az alapjai annak, hogy ben elkészüljön az első mikroprocesszor. A mikroprocesszor vagy processzor (lásd 18. ábra), lényegében egy olyan integrált áramkör, amely vagy az LSI, vagy a VLSI kategóriába tartozik, amely betölti a CPU (Central Processing Unit), azaz a központi egység szerepét. A processzor különböző regiszterekből (ki- és bemeneti, adatrögzítő-, utasítást adó, állapot- és segédregiszter), aritmetikai és logikai egységekkel kiegészített számolószerkezetből, továbbá vezérlő- és irányítóegységből, parancsregiszterből és a számítás lefutását vezérlő egységből, egy belső adatbázisból (ez egy vezetékrendszer, amely lehetővé teszi, hogy műveleteket és parancsokat párhuzamosan betáplálhassanak) áll. A Texas Instruments cég által gyártott első mikroprocesszor mikroszkópos képe A nagy számítógépek központi egységeitől eltérően a mikroprocesszor kezdetben csak rövid, bináris szavakat, 4, 8, 12 vagy 16 bit információt tud feldolgozni, ellentétben a nagy gépekkel, amelyek 64 bit feldolgozására képesek.

12 És a jövő És most átugrottunk pár évet, és most következzen a jövő. A jövő ? Hát ezt nehéz megjósolni, de valószínű, hogy az Internet sokkal nagyobb szerepet kap az élet minden területén, és ez magával hozza, hogy egyre olcsóbb lesz. A számítógépek maguk a Neumann-elvei alapján szerintem már nem fejlődhetnek sokkal tovább. Átveszik a helyüket a nem Neumann-elvű gépek, amelyek több egymással párhuzamos adatfeldolgozást megvalósító processzorból állnak majd. Ilyen gépek most is vannak, de csak a tudományos életben, a haditechnikában használják őket, így még nyitott a tér az otthoni alkalmazások területén. De előfordulhat, hogy ha az adatátvitel sebessége a hálózatokban megfelelő mértékűre nő, akkor lehetővé válik, hogy térben elkülönült, párhuzamosan kapcsolt számítógépeket egyetlen nagy párhuzamos működésű számítógéppé kapcsoljunk össze. Az ezredforduló körül már valószínűleg olyan chipeket lehet készíteni, amelyek akár 100 millió tranzisztort is tartalmazhatnak. A chip már az adattárolót is magában foglalja, így megvalósítható lenne egy felhasználói számítógép. A benne található processzornak már akkora lenne a teljesítménye, hogy beszéd útján is lehetne vezérelni a számítógépet. A számítógép maga akkor lenne, mint ma a Laptopok folyadékkristályos kijelzője, vagy valamivel vastagabb, tartalmazná a mikroprocesszort, az akkumulátorokat és néhány illesztő egységet; mind ez a képernyő keretrészében foglalna helyet. Elképzelhető, hogy ugyanez megvalósítható lenne egy karórában is. így a nap minden percében kapcsolatot tudnánk teremteni bármelyik másik számítógéppel vagy adatbankokkal. A felhasználói számítógépet az oktatásban is lehetne használni. Az iskolában a tanár közvetlenül a felhasználói számítógépére ír, amely egy elektronikus falitáblát vezérel, a gyerekek pedig a felhasználói számítógépükre kapják az információkat. Az is lehet, hogy a hagyományos számítógépek helyébe az optikai számítógépek lépnek. Már 1987-ben kísérleteztek az optikai kapcsolókkal. Már létezik nagyon egyszerű mátrixműveleteket végrehajtó optikai számítógép, ez 1012 bináris művelet hajt végre másodpercenként. A jövőben ez tovább fejlődik. A mesterséges intelligencia területén is várhatók nagy felfedezések és találmányok. Eddig a szakértő rendszerek fejlődtek, de ezek természetesen nem tudják elérni egy ember döntéshozó képességét. Megpróbálnak, olyan számítógépet létrehozni, amely az emberi agy mintájára több kisebb analóg módon működő számítógépet működtet összekapcsolva, logikai műveltekkel kombinálva. Ez kezdetben tárolt programú volt, majd 1996-ban vált programozhatóvá. A CNN (Cellular Neutral Network), azaz a celluláris neutrális hálózat egy chipen belül közel tízezer kis feldolgozóegység együttes munkájával másodpercenként egytrillió művelet elvégzésével oldja meg a feladatokat. Az első bemutatott alkalmazása a bionikus szem, amely a képfeldolgozás és az alak felismerés területén máris forradalmi változásokat érlelt