مقدمة:

ان أجهزة الحوسبة المتخصصة مثل الات الجدولة كانت بمثابة نعمة ضخمة للحكومات والشركات حيث كانت تساعدهم في عملهم واحيانا في استبدال الاعمال اليدوية الروتينىة . لكن مع النمو البشري المتزايد حتى وصل الى معدل غير مسبوق لم تعد تؤدئ الغرض المطلوب . وقد شهد العالم في القرن الماضي قفزة في النمو الاقتصادي والصناعي وكذلك تضاغف تقريبا عدد السكان حول العالم كل هذه العوامل وغيرها زادت من حجم البيروقراطية والروتين امما أدى الى الحاجة في التفكير و البحث عن أساليب تساعد في جعل الأشياء اكثر اتمتة و اوتوماتيكية.

بداية اختراع الحواسيب"الالة “Harvard

في بداية اختراع الحواسيب الميكانيكية كانت بحجم خزانة تطورت حتى أصبحت بحجم غرفة مما جعل تكلفة صيانتها وعرض اخطائها عالية لقد كانت هذه الالات تمهد الطريق لابتكار الحواسيب الالكترونية. احدى اكبر هذه الاحهزة الكهربائية والميكانيكية التي بنيت كان يدعى هارفارد الأول " Harvard " الذي تم اختراعه في العام 1944 بواسطة IBM وذلك لأغراض عسكرية لمساعدة الحلفاء في الحرب العالمية الثانية. كان يحتوي هذا الجهاز او الالة العملاقة على 765000 مكون 3ملايين وصلة و500ميل من الاسلاك. للحفاظ على ميكانيكته الداخلية فإنه يستخدم عمود 50قدم يدور خلال الالة بواسطة محرك 5 حصان. كان يستخدم هذا الجهاز العمالق في عمل محاكاة لمشروع مانهاتن.

آلية عمل الة Harvard :

عقول هذه الوحوش الكهروميكانيكة الضخمة كانت عبارة عن ناقلات "مفاتيح ميكانيكية يتم التحكم بها كهربائيا" . يحوي الناقل على سلك تحكم والذي بدوره يحدد فيما اذا كانت الدارة مفتوحة ام مغلقة سلك التحكم يتصل بملف من الاسلاك داخل الناقلات. عند تدفق التيار من خلال الملف فان حقلا كهرومغناطيسي يتولد والذي بدوره يجذب الذراع المعدني داخل الناقل يثبته مما يؤدي اغلاق الدارة يمكن التفكير في الناقل و كانه صنبور مياه حيث سلك التحكم يشبه مقبض الصنبور ،افتح الصنور سيتدفق الماء ،اغلق الصنبور الماء سيتوقف. كذلك الامر نفسه يحدث ولكن بالالكترونات بدلا من الماء.

الدائرة المتحكم بها يمكن بعد ذلك ان تتصل بدوار أخرى اوشيء مثل المحرك ، والتي قد تزيد من الاعتماد على ترس كما هو الحال في الة الجدولة Hollerith ،الذراع الميكانيكية داحل الناقل لديها كتله ، بالتالي لايمكن ان تتحرك على الفور بين الحالت المفتوخة والمغلقة .

اهم مشاكل الة Harvard :

التبديلة الجيدة في العام 1940 قد تكون قادرة على النقر ذهابا وإيابا خمسين مرة في الثانية ، قد يبدو ذلك سريعا جدا ولكنه ليس سريعا بمافيه الكفاية ليكون مفيدا في حل المشاكل الكبيرة والمعقدة . Harvard Mark يمكنه ان يقوم بثلاث عمليات جمع ام طرح في الثانية ، بينما الضرب يستغرق 6 ثوان ، والقسمة 15 ثانية، اما العمليات الأكثر تعقيدا مثل الدوال المثلثية يمكن ان تستغرق اكثر من دقيقة،بالاضافة الى بطء سرعة التحويل ،يوجد مشكلة أخرى وهي أي شيء ميكانيكي يتحرك يبلى مع مرمر الوقت . لعص الأشياء تنكسر تماما ،واشياء أخرى تصبح لزجة ، بطيئة ، ببساطة لا يمكن الاعتماد عليها. وبما ان عدد التبديلات قد زاد ، فان احتمال الفشل يزداد أيضا .

كان لدى Harvard Mark حوالي 3500 ناقل ،اذا افترضت ان الناقل له عمر تشغيل مدته 10 سنوات فهذا يعني انك ستحتاج الى استبدال في المتوسط ناقل تالف في كل يوم ، وهذه مشكلة كبيرة عندما تكون في منتصف عمل بعض الحسابات الهامة لعدة أيام .لم يكن جميع المهندسين بتعاملون مع هذه الالات الضخمة والمظلمة والدافئة والتي كانت تجذب الجشرات أيضا. في العام 1947 قام المشغلون في Harvard الثاني بسحب حشرة ميتة من ناقل معطل. كتب العالم Grace Hopper "من الان فصاعدا عند حدوث أي شيء في جهاز كمبيوترنقول انه يحتوي على حشرة" من هنا حصلنا على مصطلح الكمبيوتر " Bug" .

كان من الواضح ان هناك حاجة الى بديل اسرع واكثر فاعلية للناقلات الكهروميكانيكية اذا كنا نريد للحوسبة ان تسير قدما، ولحسن الحظ ان البديل موجود بالفعل . في العام 1904 طور الفيزيائي الإنكليزي John Ambrose Fleming مكونا كهربائيا جديدا يسمى صمام حراري thermionic valve، الذي يضم اثنين من الأقطاب داخل لمبة زجاجية محكمة الغلق كان هذا اول أنبوب مفرغ . يمكن تسخين احد الأقطاب الكهربائية مما يؤدي الى انبعاث الالكترونات.هذه العملية تسمى الانبعاث الحراري . القطب الاخر يمكن بعد ذلك ان يجذب هذه الالكترونات لانشاء تدفق في صنبورنا الكهربائي ، ولكن فقط اذا طان مشحونا إيجابيا . اذا كان لديها شجنة سالبة ام محايدة لن تنجذب الالكترونات عبر الفراغ ولذلك التيار لن يتدفق. المكون الالكتروني الذي يسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد يسمى الصمام الثنائي، ولكن مانحتاج اليه حقا هو مفتاح للمساعدة في التحكم في فتح وغلق هذا التدفق . لحسن الحظ وبعد فترة وجيزة ، في العام 1906 أضاف المخترع الأمريكي Lee Deforest حيث أضاف قطب تحكم ثالث يقع بين قطبين في تصميم Fleming من خلال تطبيق شحنة موجبة لعنصر التحكم ، فانه يسمح لتدفق الالكترونات كما كان من قبل . لكن اذا اعطى عنصر التحكم شحنة سالبة فانه من شانه ان يمنع تدفق الالكترونات لذلك عن طريق التلاعب في سلك التحكم ، يمكن للمرء من فتح او اغلاق الدارة .انها الى حد كبير نفس الشيء كما في الناقل ولطن الأهم من ذلك ، الانابيب المفرغة ليس لها أجزاء متحركة وهذا يعني كان هناك تآكل اقل ، وانها يمكنها التبديل الاف المرات في الثانية الواحدة .هذه الانابيب المفرغة قد تصبح أساس الراديو والهاتف لمسافات طويلة ، وغيرها من الأجهزة الالكترونية منذ مايقرب من نصف قرن . وننوه هنا ان الانابيب المفرغة لم تكن مثالية ، انها نوعا ما هشه ،ويمكن ان تحترق مثل المصابيح الكهربائية ، لقد كانوا تطورا كبيرا للناقلات الميكانيكية.وايضا كانت مكلفة .غالبا الراديو يستخدم واحدة فقط ،لكن قد يتطلب الكمبيوتر المئات او الالف من المفاتيح الكهربائية.لكن بحلول العام 1940 تكلفتها وتشغيليتها تحسنوا لدرجة انه اصبح ممكنا استخدامهم في أجهزة الكمبيوتر .

تطور استخدام الانابيب المفرغة :

اول استخدام للانابيب المفرغة على نطاق واسع للحساب كان" colossu MK1" المصمم بواسطة المهندس "Tommy Flowers" وتم الانتهاء منها في ديسمبر 1943 تم تثبيته في حديقة Bletchley ، في المملكة المتحدة وساعد على فك تشفير الاتصالات

النازية.قد يبدو هذا مألوفا لأنه قبلها بعامين قام العالم Alan Turing "الذي يسمى العلوم الكمبيوتر" قام بإنشاء جهاز كهروميكانيكي أيضا في حديقة Bletchley ،وسمي القنبلة . وكان جهاز كهروميكانيكي صمم بهدف فك تشفير اكواد Enigma النازية ولكن "القنبلة" لم يكن من الناحية الفنية كمبيوتر.

النسخة الأولى من العملاق تحتوي 1600 من الأنابيب المفرغة ،وبشكل إجمالي بنيت عشرة عمالقة للمساعدة في فك تشفير الكود. ويعتبر العملاق اول كمبيوتر الكتروني مبرمج.البرمجة تمت عن طريق توصيل المئات من الأسلاك في لوحات توصيل "نوع مثل الواح توصيل التلفونات القديمة "، وذلك لاعداد الكمبيوتر لتنفيذ العمليات الصحيحة .وبما أن "البرمجة" كانت لا بد ان تضبط لتقوم بحسابات معينة، ادخال التكامل العددي والالكتروني والحسابي، بعد سنوات قليلة في عام 1946 في جامعة ولاية بنسلفانيا صمم من قبل John Merkley و Presper Eckert وكان اول كمبيوتر حقيقي للأغراض العامة كمبيوتر الكنروني مبرمج، يمكن ان تؤدي 5000عملية جمع من عشرة ارقام او الطرح في الثانية مرات عديدة اسرع من جهاز اتى قبله . وكان فعال لمدة عشرة سنوات ويقدر انه قام بعمل حسابات اكثر مما تم عمله في البشرية حتى هذه اللحظة. بالرغم من العديد من تلفيات الانابيب المفرغة المتكررة "ENIAC" كان يتم تشغيله لمدة نصف يوم قبل إيقافه

اختراع الترانزستور :

في العام 1950الحوسبة القائمة على الانابيب المفرغه قد بلغ حدوده ، كمبيوتر AN/FSQ-7 والذي اكتمل عام 1955 كان جزءا من “SAGE” نظام كمبيوتر للدفاع الجوي ، للحد من التكلفة والسرعة كنا في حاجة لتغير جذري "لمفتاح الكتروني" في 1947مختبر Bell " العلماء John Barden و water Britainو William Shockle " اخترع الترانزستور ، ومع ذلك ولد عصر جديد كليا من الحوسبة . الفيزياء وراء الترانزستورات معقدة للغاية ، بالاعتماد على ميكانيكا الكم . الترانزستور هو تماما مثل الناقل او الانبوب المفرغ "أي انه مفتاح يمكن ان يفتح او يغلق" من خلال تطبيق طاقة كهربائية عبر سلك تحكم . عادة الترانزستورات لها لها قطبين مفصولين بمادة يمكنها أحيانا ان توصل كهرباء واحيانا أخرى تقاومها وتسمى "اشباه الموصلات" في هذه الحالة ، سلك التحكم يتصل ب "بوابة" القطب. عن طريق تغيير الشحنة الكهربائية للبوابة توصيلية المواد اشباه الموصلات يمكن التلاعب بها ، السماح بتدفق التيار او منعه – مثل صنبور المياه – .

حتى الترانزستور الاول في مختبرات Bell اظهر ووعد هائل ، حيث يمكن التبديل بين حالتي التشغيل والايقاف 10000مرة في الثانية.وعلاوة على ذلك وعلى عكس الانابيب المفرغة المصنوعة من الزجاج والتي مع تعليقها بعناية تعتبر مكونات هشة قابلة للكسر ،كانت الترانزستورات مادة صلبة تعرف باسم مكون الحالة الصلبة.وايضا تم تصميم الترانزستور ليكون اصغر من اصغر الناقلات او الانابيب المفرغة . أدى ذلك الى ظهور أجهزة الكمبيوتر اصغر وارخص بشكل كبير مثل IBM 608 الذي صدر عام 1957 اول كمبيوتر تجاري يعمل بشكل كامل بالترانزستور.وكان يحتوي على 3000ترانستور ويمكن ان يؤدي 4500 عملية حمع او مايقرب من 80 عملية ضرب او قسمة في الثانية. IBM قامت سريعا بتحويل كل مكونات منتجاتها للترانزستورات ،والذي اتى بأجهزة كمبيوتر تعمل في المكاتب بالترانستورات،وأخيرا في المنازل.

اليوم أجهزة الكمبيوتر تستخدم ترانزستورات اصغر من 50 نانونتر في الحجم كمقياس الورقة سمكها تقريبا 100000 نانومتر. وانهم ليس فقط صغيرين بل انهم يتمتعون بسرعة عالية ،يمكنهم تبديل بين الحالات ملايين المرات في الثانية الواحدة ،ويمكن تشغيلها على مدى عقود.

الكثير من تطوير هذه الترانزستورات واشباه الموصلات حدث في وادي Santa Clara بين سان فرانسيسكو وسان خوسيه في ولاية كاليفورنيا. وبماان المادة الأكثر شيوعا لخلق اشباه الموصلات هي السيليكون ،هذه المنطقة أصبحت تعرف باسم "وادي السيليكون" حتى انه انتقل هناك William Shockle مؤسس اشباه الموصلات شوكلي ، والتي قام موظفيها لاخقا بتاسيس " انتل Intel" اكبر شركة صانعة لرقائق الكمبيوتر في العالم.

حسنا انتقلنا من الناقلات الى الانابيب المفرغة الى الترانزستورات ، يمكننا ان نحول الكهرباء من التشغيل للايقاف بسرعة .

an introduction:

Specialized computing devices such as spreadsheets have been a huge boon to governments and companies as they assist them in their work and sometimes replace routine manual labor. But with the increasing human growth until it reached an unprecedented rate, it no longer performs the required purpose. In the last century, the world witnessed a leap in economic and industrial growth, as well as nearly doubling the number of people around the world. All these factors and others increased the size of bureaucracy and red tape, which led to the need to think and search for methods that help in making things more automated and automatic.

The beginning of the invention of the Harvard computer:

In the beginning of the invention of mechanical computers, they were the size of a cabinet and evolved into the size of a room, which made the cost of maintenance and display of errors high. These machines were paving the way for the innovation of electronic computers. One of the largest of these electrical and mechanical devices built was called Harvard I, which was invented in 1944 by IBM for military purposes to aid the Allies in World War II. This gigantic device or machine contained 765,000 components, 3 million connections and 500 miles of wires. To maintain its internal mechanics, Vine uses a 50-foot shaft that rotates through the machine with a 5-hp motor. This gigantic device was being used in a simulation of the Manhattan Project.

How does Harvard work:

The brains of these gigantic electromechanical monsters were "electrically controlled mechanical switches" transmitters. The bus contains a control wire, which in turn determines whether the circuit is open or closed. The control wire connects to a coil of wires inside the buses. When the current flows through the coil, an electromagnetic field is generated, which in turn attracts the metal arm inside the conveyor, fixing it, causing the circuit to close. You can think of the conveyor as a water faucet where the control wire is like a tap handle, open the tap, the water will flow, close the tap, the water will stop. The same thing also happens, but with electrons instead of water.

The controlled circuit can then be connected to another rotor or something like a motor, which may increase dependence on a gear. As in the Hollerith scheduler, the mechanical arm within the conveyor has mass, so it cannot move instantly between the bulged and closed states.

The most important problems of Harvard:

A good 1940 switch might be able to click back and forth fifty times a second. That may sound very fast but not fast enough to be useful in solving large and complex problems. Harvard Mark can do 3 addition or subtraction operations per second, multiplication takes 6 seconds, division 15 seconds, and more complex operations such as trigonometric functions can take more than a minute. In addition to slow conversion speed, there is another problem which is anything mechanical Moves wear out over time. To stick things completely break, and other things become sticky, slow, simply unreliable. As the number of substitutions increases, the probability of failure also increases.

Harvard Mark had about 3,500 conveyors, so if you assume that the conveyor has a 10-year operating life then that means you will need to replace on average a damaged conveyor every day, and this is a big problem when you are in the middle of doing some important calculation for several days. You deal with these huge, dark and warm machines that also attract grains. In 1947, operators on Harvard II pulled a dead insect from a broken conveyor. The scientist Grace Hopper wrote, "From now on, when something happens on a computer, we say it contains an insect." From here we get the computer term "Bug".

It was clear that there was a need for a faster and more efficient alternative to electromechanical buses if we wanted computing to advance, and fortunately the alternative already exists. In 1904, English physicist John Ambrose Fleming developed a new electrical component called a thermionic valve, which contained two electrodes inside a sealed glass bulb. This was the first vacuum tube. One of the electrodes can be heated, which leads to the emission of electrons. This process is called thermal emission. The other electrode can then attract these electrons to create a flux in our faucet, but only if it is positively charged. If it has a negative or neutral chip, the electrons will not be attracted through the vacuum and therefore the current will not flow. The electronic component that allows current to flow in one direction is called a diode, but what we really need is a switch to help control the opening and closing of that flow. Fortunately soon after, in the year 1906, the American inventor Lee Deforest added a third control electrode between two electrodes in the Fleming design. By applying a positive charge to the control, it allows electrons to flow as before. But if the control element gave a negative charge, it would prevent the flow of electrons, so by manipulating the control wire, one could open or close the circuit. It's pretty much the same as in the carrier and more importantly, the evacuated tubes have no moving parts. This means there was less wear, and it could switch thousands of times per second. These vacuum tubes have become the basis for long-distance radio, telephone, and other electronic devices for nearly half a century. We note here that the vacuum tubes were not perfect, they were kind of fragile, and they could burn like light bulbs, they were a great improvement in mechanical transmissions. They were also expensive. Often the radio uses only one, but the computer may require hundreds or thousands of switches. By 1940 their cost and operation had improved to the point that it became possible to use them in computers.

The evolution of the use of evacuated tubes:

The first large-scale use of vacuum tubes for the calculation was the "colossu MK1" designed by engineer "Tommy Flowers" and completed in December 1943, installed in Bletchley Park, in the United Kingdom and helped decipher Nazi communications.

This might sound familiar because two years before that, the scientist Alan Turing (called computer science) had also built an electromechanical device in Bletchley Park, called the bomb. It was an electromechanical device designed to decode the Nazi Enigma Codes, but the "bomb" was not technically a computer.

The first version of the giant contained 1,600 vacuum tubes, and in total ten giants were built to help decipher the code. The giant is considered the first programmed electronic computer. The programming was carried out by connecting hundreds of wires to the connection boards "a type like old telephone board", in order to prepare the computer to carry out the correct operations. And since the "programming" had to be set to perform certain calculations, the introduction of integration Numerical, electronic, and arithmetic, a few years later in 1946 at Pennsylvania State University, designed by John Merkley and Presper Eckert, and it was the first true general-purpose computer programmed electronic computer, which can perform 5000 operations of adding ten digits or subtracting per second many times faster than a device that came Kiss . And it has been effective for ten years and is estimated to have done more calculations than has been done in humanity up to this point. Despite many frequent damage to the vacuum tubes, the ENIAC was operated for half a day before it was stopped.

Invention of the transistor:

In the year 1950, vacuum tube-based computing reached its limits. The AN / FSQ-7 computer, which was completed in 1955, was part of a “SAGE” air defense computer system, to reduce cost and speed we needed a radical change to an “electronic switch” in 1947 Bell's laboratory. John Barden, Water Britain and William Shockle "invented the transistor, yet a whole new era of computing was born. The physics behind transistors is very complex, relying on quantum mechanics. A transistor is just like a conductor or a vacuum tube, "that is, it is a switch that can be opened or closed" by applying an electrical force via a control wire. Usually transistors have two electrodes separated by a material that can sometimes conduct electricity and sometimes resist it. It is called "semiconductors". In this case, the control wire connects to the "gate" electrode. By changing the electrical charge of the gate, the conductivity of the semiconductor material can be manipulated, allowing or preventing the flow of current - like a water tap -.

Even the first transistor at Bell Labs showed tremendous promise, being switched between on and off states 10,000 times a second. Moreover, unlike vacuum tubes made of glass that, with carefully suspended, were considered brittle and fragile components, transistors were a solid material known as the solid state component. Also, the transistor is designed to be smaller one of the smallest conveyors or evacuated tubes. This led to the emergence of significantly smaller and cheaper computers, such as the IBM 608, which was released in 1957, the first commercial computer fully powered by a transistor. It contained 3,000 transistors and could perform 4,500 loads, or approximately 80 multiplications or divisions per second. IBM quickly switched all of its product components to transistors, which brought computers to work in offices with transistors, and finally in homes.

Today computers use transistors smaller than 50 nanometers in size as a paper scale, and they are roughly 100,000 nanometers thick. And they are not only small, but they also have high speed, they can switch between states millions of times per second, and they can run for decades.

Much of the development of these transistors and semiconductors occurred in Santa Clara Valley between San Francisco and San Jose in California. Since the most common material for creating semiconductors is silicon, this region became known as "Silicon Valley" until he moved there, William Shockle founder of semiconductor Shockle, whose employees later founded "Intel", the largest maker of computer chips in the world.

Well, we went from conveyors to vacuum tubes to transistors, we can switch electricity from running to shutdown quickly.