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コンピューティング ハードウェアの歴史は、計算を支援する初期のシンプルなデバイスから現代のコンピューターまでの発展を網羅しています。
計算を補助する最初の手段は、純粋に機械的な装置であり、操作者が基本的な算術演算の初期値を設定し、装置を操作して結果を得る必要があった。その後、コンピュータは数値を連続的な形式（例えば、目盛りに沿った距離、シャフトの回転、電圧）で表すようになった。数値は、メカニズムによって自動的に操作される数字の形式で表すこともできる。このアプローチは一般に、より複雑なメカニズムを必要とするが、結果の精度は大幅に向上した。トランジスタ技術、続いて集積回路チップの開発により、トランジスタコンピュータ、続いて集積回路コンピュータという一連のブレークスルーがもたらされ、デジタルコンピュータがアナログコンピュータに大きく取って代わった。次に、金属酸化物半導体（MOS）大規模集積回路（LSI）によって半導体メモリとマイクロプロセッサが可能になり、 1970年代には小型パーソナルコンピュータ（PC）という別の重要なブレークスルーにつながった。コンピュータのコストは徐々に低下し、1990 年代にはパーソナルコンピュータが、そして2000 年代には モバイルコンピュータ(スマートフォンやタブレット) が普及しました。
初期のデバイス
古代と中世
数千年もの間、主に指と一対一に対応して計算を行うための装置が使われてきました。最も古い計数装置は、おそらく数え棒の一種でした。エスワティニと南アフリカの間の山岳地帯で発見されたレボンボの骨は、知られている中で最も古い数学的遺物である可能性があります。[2]これは紀元前35,000年のもので、ヒヒの腓骨に意図的に刻まれた29の明確な刻み目で構成されています。[3] [4]その後、肥沃な三日月地帯全体で記録保持の補助具として、おそらく家畜や穀物などのアイテムの数を表す粘土の球、円錐などがあり、中空の未焼成の粘土容器に密封されていました。[b] [6] [c]計算棒の使用はその一例です。そろばんは早くから算数の作業に使用されていました。現在ローマのそろばんと呼ばれているものは、紀元前 2700 ～2300年頃にはバビロニアで使用されていました。それ以来、さまざまな形の計算盤や計算表が発明されました。中世ヨーロッパの計算室では、金額を計算するために、チェック柄の布をテーブルの上に置き、一定の規則に従ってマーカーを動かしていました。
古代および中世には、天文学的な計算を行うためにいくつかのアナログコンピュータが作られた。これらには、ヘレニズム世界（紀元前150-100年頃）のアストロラーベやアンティキティラ島の機械が含まれる。 [8]ローマ帝国のエジプトでは、アレクサンドリアのヘロン（紀元後10-70年頃）がオートマタやプログラム可能なカートなどの機械装置を作った。[9]ペルシャ系バグダッドのバヌー・ムーサ兄弟による『巧妙な装置の書』（850年）に記載されている蒸気動力の自動笛が、最初のプログラム可能な装置であった可能性がある。[10]
何らかの計算を行うために使用された他の初期の機械装置には、アル＝ビールーニー（紀元1000年頃）が発明した星座早見盤やその他の機械式計算装置、アル＝ザルカーリ（紀元1015年頃）の赤道儀と緯度に依存しないユニバーサル・アストロラーベ、他の中世イスラムの天文学者や技術者による天文アナログコンピュータ、宋王朝の蘇宋（1094年）の天文時計塔などがある。 1206年にイスマイル・アル＝ジャザリが発明した水力駆動の機械式天文時計である城時計は、最初のプログラム可能なアナログコンピュータであった。[異議あり(理由: 引用元は主張を裏付けておらず、主張は誤解を招く。) –議論] [11] [12] [13]ラモン・リュイは、論理的組合せ論によって哲学的質問 (この場合はキリスト教に関する質問) の答えを計算する概念的な機械であるリュリアヌス圏を発明しました。このアイデアは数世紀後にライプニッツによって取り上げられ、コンピューティングと情報科学の基礎要素の 1 つとなっています。
ルネサンス時代の計算ツール
スコットランドの数学者で物理学者のジョン・ネイピアは、数の掛け算と割り算は、それらの数の対数の加算と減算によって実行できることを発見しました。最初の対数表を作成する間、ネイピアは多くの面倒な掛け算を実行する必要がありました。この時点で、彼は「ネイピアの骨」を設計しました。これは、掛け算と割り算を含む計算を大幅に簡素化するそろばんのような装置でした。[d]
実数は直線上の距離や間隔として表すことができるため、ネイピアの研究のすぐ後の1620年代に計算尺が発明され、それまで可能だったよりも大幅に高速に掛け算や割り算を行うことができるようになった。[ 14] エドマンド・ガンターはオックスフォード大学で単一の対数目盛りを備えた計算機を製作した。彼の装置は掛け算や割り算を含む算術計算を大幅に簡素化した。ウィリアム・オートレッドは1630年に円形の計算尺でこれを大幅に改良した。彼は1632年に現代の計算尺を開発したが、これは基本的に2つのガンター定規を両手で組み合わせたものである。計算尺はポケット計算機が発明されるまで、何世代にもわたってエンジニアや数学に携わる専門職の労働者に使用されていた。[15]
機械式計算機
1609年、グイドバルド・デル・モンテは、度数の分数を計算する機械式乗算器を製作した。4つの歯車のシステムに基づいて、1つの象限のインデックスの回転は、反対の象限の別のインデックスの60回転に相当します。[16]この機械のおかげで、1度、2度、3度、4分の1度の計算における誤差を回避できます。グイドバルドは、機械式計算に歯車を使用することを文書化した最初の人物です。
ドイツの博学者ヴィルヘルム・シッカードは1623年に、ネイピアの棒を機械化したものと、世界初の機械式加算機をベース部に組み込んだ計算機を設計した。単歯歯車を使用していたため、キャリー機構が動かなくなることがあった。[17] 1624年に少なくとも1台の計算機が火災で焼失し、シッカードは落胆してもう1台を作れなかったと考えられている。
1642年、まだ10代だったブレーズ・パスカルは計算機に関する先駆的な研究を始め、3年の歳月と50の試作品を経て[18]機械式計算機を発明した。[19] [20]彼はその後10年間でこの計算機を20台（パスカル計算機またはパスカリーヌと呼ばれる）作った。 [21]パスカリーヌは9台現存しており、そのほとんどはヨーロッパの博物館に展示されている。[e]シッカートとパスカルのどちらを「機械式計算機の発明者」とみなすべきかについては議論が続いており、考慮すべき問題の範囲については別の場所で議論されている。[22]
ゴットフリート・ヴィルヘルム・フォン・ライプニッツは、 1672年頃に階段式計算装置と有名な階段式ドラム機構を発明した。彼は、加算と減算だけでなく、移動可能な台車を使って乗算と除算もできる機械を作ろうとした。ライプニッツはかつて「優秀な人間が、機械を使えば他の誰かに任せられる計算作業に奴隷のように何時間も費やすのは、不相応だ」と述べた。 [23]しかし、ライプニッツは完全に成功した桁上げ機構を組み込んでいなかった。ライプニッツはまた、現代のすべてのコンピューターの中心的な要素である2進数システムについても説明した。しかし、1940年代まで、その後の設計の多くは（ 1822年のチャールズ・バベッジの機械や1945年のENIACさえも含め）10進法に基づいていた。[f]
1820年頃、シャルル・ザビエ・トーマス・ド・コルマールは、その世紀の残りの期間に最初の成功した大量生産機械式計算機となるトーマス・アリスモメーターを製作しました。これは加算と減算に使用でき、可動式キャリッジを使用して乗算と除算も実行できました。長い乗算と長い除算のプロセスによる除算。[25]ライプニッツが発明したものと概念的に似た段付きドラムを使用していました。機械式計算機は1970年代まで使用され続けました。
パンチカードデータ処理
1804年、フランスの織工ジョセフ・マリー・ジャカールは、パンチカードで作られた紙テープで織られる模様を制御する織機を開発した。紙テープは織機の機械設計を変えずに交換できた。これはプログラム可能性における画期的な成果であった。彼の機械は、同様の織機を改良した。パンチカードの前には、バジル・ブションが提案した機械のようにパンチバンドがあった。これらのバンドは、自動ピアノや、最近では数値制御工作機械の情報記録に影響を与えた。
1880年代後半、アメリカ人のハーマン・ホレリスは、機械で読み取れるパンチカードへのデータ保存を発明した。 [26]これらのパンチカードを処理するために、彼は集計機とキーパンチ機を発明した。彼の機械は電気機械式リレーとカウンターを使用していた。[27]ホレリスの方法は1890年の米国国勢調査で使用された。その国勢調査は、以前の国勢調査よりも2年早く処理された。[28]ホレリスの会社は最終的にIBMの中核となった。
1920年までに、電気機械式集計機は加算、減算、累計の印刷が可能になった。[29]機械の機能は、取り外し可能なコントロールパネルに数十本のワイヤジャンパーを挿入することで制御された。米国が1935年に社会保障制度を導入したとき、IBMのパンチカードシステムが2600万人の労働者の記録を処理するために使用された。[30]パンチカードは、会計や管理のために産業界や政府で広く普及した。
レスリー・コムリーのパンチカード法に関する論文[31]とWJエッカートの1940年の出版物「科学計算におけるパンチカード法」では、パンチカードとユニットレコードマシンで微分方程式を解いたり、浮動小数点表現を使用して乗算や除算を実行したりできるほど高度なパンチカード技術が説明されていました。[32]このようなマシンは、第二次世界大戦中に暗号統計処理や、さまざまな管理用途に使用されました。[要出典]コロンビア大学天文計算局は、コンピューティングの最先端技術を代表する天文学計算を実行しました。[33] [34]
電卓
20世紀までに、初期の機械式計算機、キャッシュレジスター、会計機などは、ギアの位置を変数の状態の表現として電気モーターを使用するように再設計されました。「コンピューター」という言葉は、主にこれらの計算機を使用して数学的な計算を行う女性に割り当てられた職業名でした。[35] 1920年代までに、英国の科学者ルイス・フライ・リチャードソンは天気予報に興味を持ち、天気をモデル化するために人間コンピューターと数値解析を提案しました。今日まで、ナビエ・ストークス方程式を使用して天気を適切にモデル化するには、地球上で最も強力なコンピューターが必要です。[36]
フリーデン、マーチャント・カリキュレーター、モンローなどの企業は、1930年代から加算、減算、乗算、除算ができる卓上機械式計算機を製造していました。[37] 1948年に、オーストリアの発明家カート・ヘルツスタークによってクルタが発表されました。これは小型の手回し機械式計算機であり、ゴットフリート・ライプニッツのステップ式計算機やトーマスのアリスモメーターの後継機でした。
世界初の全電子式卓上計算機は、1961年に発売されたイギリスのベルパンチ社製 ANITAであった。 [38] [39]回路には真空管、冷陰極管、デカトロンを使用し、ディスプレイには12本の冷陰極「ニキシー管」を使用した。ANITAは唯一の電子式卓上計算機であり、静かで高速だったため、よく売れた。真空管技術は、1963年6月に米国製のFriden EC-130に取って代わられた。これは全トランジスタ設計で、5インチ(13 cm)のCRTに4つの13桁の数字を表示し、逆ポーランド記法(RPN)を導入した。
最初に提案された汎用コンピューティングデバイス
イギリスの機械技術者で博学者のチャールズ・バベッジは、プログラム可能なコンピュータの概念を考案したが、彼の設計は1991年までどれも実装されなかった。しばしば「コンピュータの父」と見なされている[40]彼は、 19世紀初頭に最初の機械式コンピュータを概念化し発明した。航海計算を支援するために設計された革命的な差分機関に取り組んだ後、1833年に彼は、はるかに一般的な設計である解析機関が可能であることに気付いた。プログラムとデータの入力は、当時ジャカード織機などの機械式織機を制御するために使用されていた方法であるパンチカードを介してマシンに提供されることになっていた。出力用に、マシンにはプリンター、曲線プロッター、ベルが備わっていた。マシンは、後で読み込むためにカードに数字をパンチすることもできた。通常の10進固定小数点演算を採用した。
エンジンには算術論理ユニット、条件分岐とループ形式の制御フロー、統合メモリが組み込まれており、現代の言葉で言えばチューリング完全と言える汎用コンピュータの最初の設計となった。[41] [42]
50 桁の 1,000 個の数値 (約 16.6 kB )を格納できるストア (つまりメモリ) が必要でした 。演算装置(「ミル」) は、4 つの算術演算すべてに加え、比較とオプションで平方根を実行できます。当初 (1838 年) は、長いストアが片側から出ている、ほぼ円形のレイアウトで反り返った差分エンジンとして考案されました。後の図面 (1858 年) では、規則的なグリッド レイアウトが描かれています。 [43] [44]現代のコンピューターの中央処理装置(CPU)と同様に、ミルは、現代の CPU のマイクロコードとほぼ同等の独自の内部手順に依存し、バレルと呼ばれる回転ドラムに挿入されたペグの形で格納され、ユーザーのプログラムが指定する可能性のあるより複雑な命令の一部を実行します。[45]
ユーザーが使用するプログラミング言語は、現代のアセンブリ言語に類似していました。ループと条件分岐が可能であったため、この言語は、後にアラン チューリングによって定義されたチューリング完全であったと考えられます。3 種類のパンチ カードが使用されました。1 つは算術演算用、1 つは数値定数用、もう 1 つはロードおよびストア操作用で、ストアから算術ユニットへ、またはその逆に数値を転送します。3 種類のカードには、それぞれ 3 つの個別のリーダーがありました。
このプロジェクトは、部品を製造する主任機械工との争いなど、さまざまな問題で遅れをとった。彼の機械の部品はすべて手作業で作らなければならなかったが、これは部品が何千もある機械にとって大きな問題だった。結局、英国政府が資金援助を打ち切る決定を下したことで、プロジェクトは解散した。バベッジが解析機関を完成できなかったのは、政治や資金面の困難だけでなく、ますます洗練されたコンピュータを開発し、誰よりも早く前進したいという彼の願望が主な原因である。エイダ・ラブレスは、ルイージ・フェデリコ・メナブレアの「解析機関のスケッチ」を翻訳し、注釈を加えた。これはプログラミングに関する最初の公開された説明であると思われるため、エイダ・ラブレスは最初のコンピュータプログラマーと広くみなされている。[46]
バベッジに続いて、当初は彼の初期の業績を知らなかったが、アイルランドのダブリンの穀物商人の事務員だったパーシー・ラドゲートが続いた。彼は独自にプログラム可能な機械式コンピュータを設計し、1909年に出版された著作の中でそのことを説明した。[47] [48]
他の2人の発明家、レオナルド・トーレス・ケベドとヴァネヴァー・ブッシュもバベッジの研究に基づいた研究を行った。1914年、トーレスは「オートマチックに関するエッセイ」を出版し、機械式解析エンジンの構築におけるバベッジの取り組みについて書き、読み取り専用プログラムで制御される電気機械式解析機械を設計した。この論文では浮動小数点演算のアイデアも紹介された。[49] [50] [51] 1920年、彼はパリの会議で電気機械式算術計を発表した。これはコマンドを入力すると結果が自動的に印刷される演算装置である。[52]ブッシュの論文「機器分析」（1936年）では、既存のIBMパンチカードマシンを使用してバベッジの設計を実装することについて議論した。同年、彼は電子デジタルコンピュータの構築に関する問題を調査するために高速算術マシンプロジェクトを開始した。[53]
アナログコンピュータ
20世紀前半、アナログコンピュータは多くの人からコンピューティングの未来であると考えられていました。これらのデバイスは、数値が変化するにつれて変化する量を記号で表すデジタルコンピュータとは対照的に、電気的、機械的、または油圧的な量などの物理現象の連続的に変化する側面を使用して、解決する問題をモデル化しました。アナログコンピュータは離散値ではなく連続値を使用するため、チューリングマシンのようにプロセスを正確に同等に繰り返すことはできません。[54]
最初の現代的なアナログコンピュータは、1872年にウィリアム・トムソン卿（後のケルビン卿）が発明した潮位予測機械でした。この機械は滑車とワイヤーのシステムを使用して、特定の場所における一定期間の潮位の予測を自動的に計算し、浅瀬での航行に非常に役立ちました。彼の装置は、アナログコンピューティングのさらなる発展の基礎となりました。[55]
微分解析装置は、車輪とディスクの機構を使用して積分によって微分方程式を解くように設計された機械式アナログコンピュータであり、1876年に、より有名なケルビン卿の兄弟であるジェームズ・トムソンによって概念化されました。彼はそのような計算機の構築の可能性を探りましたが、ボールとディスクの積分器の出力トルクが限られているために行き詰まりました。[56]微分解析装置では、1つの積分器の出力が次の積分器の入力、またはグラフ出力を駆動します。
1895年以来、レオナルド・トーレス・ケベドによって一連の注目すべきアナログ計算機が開発され、その中には複素数を含む任意の8次の多項式の根を1000分の1の精度で計算できるものもあった。[57] [58] [59]
アナログ計算における重要な進歩は、長距離艦砲射撃用の最初の射撃管制システムが開発されたことである。19世紀後半に砲撃距離が劇的に伸びると、砲弾の飛行時間を考慮して適切な照準点を計算するだけでは済まなくなった。艦上のさまざまな観測員が距離の測定値と観測結果を中央の計画ステーションに中継する。そこで射撃指揮チームは艦船とその標的の位置、速度、方向、およびコリオリの力、大気の気象効果、その他の調整を入力した。するとコンピュータが射撃解を出力し、それが砲塔に送られて射撃が行われる。1912年、英国の技術者アーサー・ポーレンが初の電動機械式アナログコンピュータ（当時はアルゴクロックと呼ばれていた）を開発した。[要出典]これは第一次世界大戦でロシア帝国海軍 によって使用された。[要出典]
爆撃の精度を高めるために機械装置も使われた。ドリフトサイトはそうした装置の最初のもので、1916年にハリー・ウィンペリスがイギリス海軍航空隊のために開発した。これは空中からの風速を測定し、その測定値を使用して風が爆弾の軌道に与える影響を計算するものだった。このシステムは後にコース設定爆撃照準器に改良され、第二次世界大戦の爆撃照準器であるマークXIV爆撃照準器（イギリス空軍爆撃司令部）とノルデン[60]（アメリカ陸軍航空隊）で最高潮に達した。
機械式アナログ計算の技術は、1927年にMITのHLヘイゼンとヴァネヴァー・ブッシュがジェームズ・トムソンの機械式積分器とHWニーマンが発明したトルク増幅器を基にして作った微分解析装置[61]で頂点に達した。この装置は、時代遅れになる前に12個ほど作られたが、最も強力なものはENIACが作られたペンシルバニア大学ムーア電気工学部で作られた。
1942年にヘルムート・ヘルツァーがペーネミュンデ陸軍研究センターで完全電子式アナログコンピュータを製作した。[62] [63] [64]
1950 年代までに、デジタル電子コンピュータの成功によって、ほとんどのアナログ計算機は終焉を迎えましたが、デジタル電子工学によって制御されるハイブリッド アナログ コンピュータは、1950 年代から 1960 年代にかけて、そして後にはいくつかの特殊なアプリケーションでも、引き続き広く使用されました。
デジタルコンピュータの出現
現代のコンピュータの原理は、コンピュータ科学者の アラン・チューリングによって初めて説明され、彼は1936年の画期的な論文[65] 「計算可能数について」でそのアイデアを提示しました。チューリングは、1931年にクルト・ゲーデルが示した証明と計算の限界に関する結果を再構成し、ゲーデルの普遍算術ベースの形式言語を、チューリングマシンとして知られるようになった形式的で単純な仮説的装置に置き換えました。彼は、そのようなマシンがアルゴリズムとして表現できるのであれば、考えられるあらゆる数学的計算を実行できることを証明しました。彼はさらに、チューリングマシンの停止問題が決定不可能であることを最初に示して、停止問題に解がないことを証明しました。一般に、特定のチューリングマシンが停止するかどうかをアルゴリズム的に決定することは不可能です。
彼はまた、「万能マシン」（現在では万能チューリングマシンとして知られている）という概念を導入し、そのようなマシンは他のあらゆるマシンのタスクを実行できる、言い換えれば、テープ上に保存されたプログラムを実行することで計算可能なものはすべて計算できると証明され、マシンをプログラム可能にするというアイデアを提唱した。フォン・ノイマンは、現代のコンピュータの中心的概念はこの論文によるものだと認めた。[66]チューリングマシンは今日まで計算理論の中心的な研究対象となっている。有限のメモリストアによって課せられる制限を除けば、現代のコンピュータはチューリング完全であると言われており、つまり、万能チューリングマシンと同等のアルゴリズム実行能力を持っている。
電気機械式コンピュータ
現代のコンピューターの時代は、第二次世界大戦前と戦中の急速な発展とともに始まりました。この時代に作られたデジタルコンピューターのほとんどは電気機械式で作られていました。つまり、電気スイッチが機械式リレーを駆動して計算を実行していました。これらの機械部品は機械的な性質上動作速度が遅く、最終的には、当初は真空管、後にトランジスタを使用した、はるかに高速な全電気部品に取って代わられました。
Z2は、電気機械式リレーで作られた電気駆動デジタルコンピュータの最も初期の例の1つであり、1940年にドイツの土木技師コンラート・ツーゼによって作成されました。これは、以前の機械式Z1の改良版であり、同じ機械式メモリを使用していましたが、演算および制御ロジックを電気リレー回路に置き換えました。[67]
同年、第二次世界大戦中にドイツのエニグマ暗号機で暗号化された秘密メッセージの解読に役立てるため、イギリスの暗号学者らがボンベと呼ばれる電気機械装置を製作した。ボンベの初期設計は1939年にブレッチリー・パークの英国政府暗号学校（GC&CS）でアラン・チューリングが考案し、[68] 1940年にゴードン・ウェルチマンが重要な改良を加えた。[69]工学設計と製作はブリティッシュ・タビュレーティング・マシン・カンパニーのハロルド・キーンが担当した。これは1938年にポーランド暗号局の暗号学者マリアン・レイェフスキが設計し、「暗号爆弾」（ポーランド語：「bomba kryptologiczna」 ）として知られていた装置を大幅に発展させたものだった。
1941年、ツーゼは以前のマシンに続き、世界初の電気機械式プログラム可能全自動デジタルコンピュータZ3 [67]を開発した。 [70] Z3は2000個のリレーを搭載し、約5～ 10Hzのクロック周波数で動作する22ビットのワード長を実現した。[71]プログラムコードとデータはパンチフィルムに保存された。いくつかの点で現代のマシンと非常に似ており、浮動小数点数など数多くの進歩の先駆けとなった。実装が難しい10進法（チャールズ・バベッジの初期の設計で使用されていた）をより単純な2進法に置き換えたことで、当時の技術を考えるとツーゼのマシンは構築しやすく、信頼性も高くなる可能性があった。[72] Z3は1998年にラウル・ロハスによってチューリング完全なマシンであることが証明された。[73] 1936年の2つの特許出願では、ツーゼは機械命令をデータと同じ記憶装置に保存できることも予想していました。これはフォン・ノイマン・アーキテクチャとして知られるようになった重要な洞察であり、1948年にアメリカで電気機械式のIBM SSEC 、イギリスで完全電子式のマンチェスター・ベイビーで初めて実装されました。[74]
第二次世界大戦中、連合軍の爆撃作戦でツーゼのマシンの一部が破壊され、ツーゼは挫折を味わった。どうやら彼の研究はずっと後まで英国と米国のエンジニアにはほとんど知られていなかったようだが、少なくともIBMは1946年にツーゼの特許のオプションと引き換えに彼の戦後の新興企業に資金を提供していたため、彼の研究を知っていた。
1944年、 IBMのエンディコット研究所でハーバード・マークIが構築されました。[75]これはZ3と同様の汎用電気機械式コンピュータでしたが、チューリング完全ではありませんでした。
デジタル計算
デジタルという用語は、ジョージ・ロバート・スティビッツによって最初に提案されたもので、電圧などの信号が（アナログコンピュータのように）値を直接表すのではなく、値をエンコードするために使用されることを指します。1937年11月、当時ベル研究所（1930–1941）で働いていたスティビッツは、[76]リレーベースの計算機を完成させ、後に「モデルK」（「キッチンテーブル」の略で、彼がその上で計算機を組み立てた）と名付けました。これが最初の2進加算器となりました。 [77]通常、信号には2つの状態、つまりロー（通常は0を表す）とハイ（通常は1を表す）がありますが、特に高密度メモリでは、 3値ロジックが使用されることもあります。現代のコンピュータは一般的に2進ロジックを使用していますが、初期のマシンの多くは10進コンピュータでした。これらのマシンでは、データの基本単位は 10 進数であり、2 進化 10 進数(BCD)、2 5 進数、超過 3、2分の 5 コードなど、いくつかの方式のいずれかでエンコードされていました。
デジタルコンピューティングの数学的基礎は、 1854年に出版された英国の数学者ジョージ・ブールの著書『思考の法則』で開発されたブール代数です。ブール代数は、1860年代にウィリアム・ジェヴォンズとチャールズ・サンダース・パースによってさらに改良され、エルンスト・シュレーダーとANホワイトヘッドによって初めて体系的に提示されました。[78] 1879年にゴットロープ・フレーゲは論理への形式的アプローチを開発し、論理方程式用の最初の論理言語を提案しました。[79]
1930年代、アメリカの電子工学者 クロード・シャノンとソ連の論理学者 ヴィクトル・シェスタコフはそれぞれ独立して研究し、ブール論理の概念と、現在では論理ゲートと呼ばれ、デジタルコンピュータで広く使われている特定の電気回路との間に一対一の対応関係があることを示した。 [80]彼らは、電子リレーとスイッチがブール代数の式を実現できることを示した。[81]この論文は、実用的なデジタル回路設計の基礎となった。さらに、シャノンの論文は、4ビットデジタル2進加算器の正しい回路図を示している。[82]
電子データ処理
純粋に電子的な回路要素がすぐに機械的および電気機械的同等物に取って代わり、同時にデジタル計算がアナログに取って代わりました。Z3 、アタナソフ・ベリー・コンピュータ、コロッサス・コンピュータ、ENIACなどのマシンは、リレーやバルブ（真空管）を含む回路を使用して手作業で構築され、入力用および主要な（不揮発性）記憶媒体としてパンチカードまたはパンチ紙テープを使用することがよくありました。 [83]
エンジニアのトミー・フラワーズは1926年に郵便局の電気通信部門に加わった。1930年代にドリス・ヒルの研究ステーションで働いている間に、彼は電話交換機に電子機器を使用する可能性を模索し始めた。彼が1934年に製作した実験装置は5年後に稼働し、数千本の真空管を使用して電話交換機ネットワークの一部を電子データ処理システムに変換した。[55]
米国では、1940年にアーサー・ディキンソン（IBM）が最初のデジタル電子計算機を発明した。[84]この計算機は、制御、計算、出力（最初の電子ディスプレイ）まで完全に電子化されていた。[85]アイオワ州立大学のジョン・ヴィンセント・アタナソフとクリフォード・E・ベリーは、1942年にアタナソフ・ベリー・コンピュータ（ABC）を開発した。 [86 ] これは、最初の2進電子デジタル計算機である。[87]この設計は半電子式（電気機械制御と電子計算）で、約300本の真空管を使用し、メモリ用に機械的に回転するドラムに固定されたコンデンサを備えていた。しかし、紙カードの書き込み/読み取り装置は信頼性が低く、再生ドラム接触システムは機械式であった。この機械は特殊用途向けであり、変更可能な保存プログラムがない点で、現代のコンピュータとは一線を画している。[88]
主に真空管を使用してロジックが構築されたコンピューターは、現在、第 1 世代のコンピューターとして知られています。
電子プログラム可能コンピュータ
第二次世界大戦中、ロンドンの北40マイル（64キロ）にあるブレッチリー・パークのイギリスの暗号解読者は、暗号化された敵軍通信の解読に数々の成功を収めた。ドイツの暗号機エニグマは、電気機械爆弾の助けを借りて初めて攻撃された。[89]彼らは、電気的に実装された一連の論理的推論を実行することで、エニグマの設定の可能性を排除した。ほとんどの可能性は矛盾を導き、残ったいくつかの可能性は手作業でテストすることができた。
ドイツ人も、エニグマとは全く異なる一連のテレタイプ暗号システムを開発した。ロレンツSZ40/42マシンは陸軍の高官級通信に使用され、イギリス軍によって「タニー」というコード名が付けられた。ロレンツのメッセージの最初の傍受は1941年に始まりました。タニーへの攻撃の一環として、マックス・ニューマンと彼の同僚は、暗号解読を支援する固定機能マシンであるヒース・ロビンソンを開発した。 [90] 郵便局研究ステーションの上級エンジニアであるトミー・フラワーズ[91]は、アラン・チューリング[92]によってマックス・ニューマンに推薦され、1943年2月初旬から11か月を費やして、より柔軟性の高いコロッサス・コンピュータ（ヒース・ロビンソンに取って代わった）の設計と構築を行った。[93] [94] 1943年12月に機能テストを行った後、コロッサスはブレッチリー・パークに輸送され、1944年1月18日に配達され[95]、2月5日に最初のメッセージを攻撃しました。[96] 1945年5月にドイツが降伏するまでに、ブレッチリー・パークでは10台のコロッサスが稼働していました。[97]
Colossus は世界初の電子 デジタル プログラム可能 コンピュータであった。[55]多数のバルブ (真空管) を使用した。紙テープ入力があり、データに対してさまざまなブール論理演算を実行するように構成可能であったが、 [98]チューリング完全ではなかった。Colossus へのデータ入力は、暗号化された傍受メッセージの紙テープ転写を光電式に読み取ることによって行われた。これは、データ用の内部記憶装置がないため、複数回読み取りと再読み取りができるように連続ループに配置された。読み取り機構は、紙テープが 40 フィート/秒 (12.2 メートル/秒、27.3 マイル/時) で移動している状態で、毎秒 5,000 文字の速度で実行された。Colossus Mark 1 には 1500 個の熱電子バルブ (真空管) が含まれていたが、2400 個のバルブと 5 つの並列プロセッサを備えた Mark 2 は、Mark 1 よりも 5 倍高速で操作が簡単で、デコード処理が大幅に高速化された。マーク2はマーク1の建造中に設計された。トミー・フラワーズが他のプロジェクトに移った後、アレン・クームズがコロッサス・マーク2プロジェクトの指揮を引き継いだ。 [99]最初のマーク2コロッサスは1944年6月1日に運用を開始し、ちょうどDデイの連合軍によるノルマンディー上陸作戦に間に合った。
Colossus の用途のほとんどは、メッセージ用の Tunny ローターの開始位置を決定することであり、これは「ホイール設定」と呼ばれていました。Colossus では、シフト レジスタとシストリック アレイが初めて使用され、それぞれ最大 100 のブール演算を含む 5 つの同時テストが可能になりました。これにより、紙テープが 1 回通過する間に 5 つの異なる開始位置を検査できるようになりました。[100]ホイール設定に加えて、後期のColossi には、ピン パターンを決定するのに役立つ「ホイール ブレーキング」と呼ばれるメカニズムが含まれていました。両方のモデルは、スイッチとプラグ パネルを使用して、以前のモデルにはなかった方法でプログラム可能でした。
これらのマシンを使用しなければ、連合国は、占領下のヨーロッパ全土でドイツ最高司令部 (OKW)と軍司令部との間で交わされた大量の暗号化された高レベルの電信メッセージから得られる非常に貴重な情報を得ることができなかったであろう。その存在、設計、使用の詳細は、1970 年代まで秘密にされていた。ウィンストン・チャーチルは、迫り来る冷戦中にイギリスがロレンツ SZ 暗号(ドイツのローター ストリーム暗号マシン)を解読できることを秘密にするため、マシンを人の手のひらほどの大きさに破壊するよう自ら命令した。マシンのうち 2 台は新設されたGCHQに移管され、残りは破壊された。その結果、マシンはコンピュータの歴史にほとんど登場しなくなった。[g] Colossus マシンの 1 台の復元された動作可能なコピーが現在、ブレッチリー パークに展示されている。
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)は、米国で製造された最初の電子プログラム可能コンピュータでした。ENIAC は Colossi と似た技術を使用していましたが、はるかに高速で柔軟性が高く、チューリング完全でした。Colossi と同様に、ENIAC の「プログラム」はパッチ ケーブルとスイッチの状態によって定義され、後に登場したプログラム格納型電子マシンとは大きく異なっていました。プログラムを実行する準備ができたら、プラグとスイッチを手動でリセットして、マシンに機械的に設定する必要がありました。ENIAC のプログラマーは、数学者として訓練された女性でした。[102]
ENIACは、電子工学の高速性と多くの複雑な問題に対してプログラムする能力を兼ね備えていた。1秒間に5000回の加算または減算が可能で、これは他のどのマシンよりも1000倍高速であった。また、乗算、除算、平方根をとるモジュールもあった。高速メモリは20ワード（約80バイトに相当）に制限されていた。ペンシルバニア大学のジョン・モークリーとJ・プレスパー・エッカートの指揮の下で構築されたENIACの開発と構築は、1943年から1945年末の完全稼働まで続いた。このマシンは巨大で、重量は30トン、消費電力は200キロワット、18,000本以上の真空管、1,500個のリレー、数十万個の抵抗器、コンデンサ、インダクタを備えていた。[103]その主要な技術的偉業の1つは、当時のマシンの信頼性における一般的な問題であった真空管の焼損の影響を最小限に抑えたことであった。この機械はその後 10 年間、ほぼ継続的に使用されました。
プログラム内蔵型コンピュータ
プログラム内蔵型コンピュータの理論的基礎は、1936年の論文「計算可能数について」でアラン・チューリングによって提案された。[65]チューリングがプリンストン大学で博士号取得のために研究していたとき、ジョン・フォン・ノイマンは彼と知り合い、彼の汎用計算機のコンセプトに興味をそそられた。[104]
初期の計算機は「プログラム」と呼ばれる一連の手順を実行していたが、これはスイッチやパッチパネル（またはプラグボード）を使用して電気接続を変更することで変更可能だった。しかし、この「再プログラミング」のプロセスは難しくて時間がかかることが多く、技術者がフローチャートを作成し、物理的に機械の配線を変更する必要があった。[105]これとは対照的に、プログラム内蔵型計算機は、一連の命令（プログラム）をメモリ（通常は保存データと同じメモリ）に保存するように設計されていた。
ENIACの発明者であるジョン・モークリーとJ・プレスパー・エッカートは、1944年8月に電子離散変数自動計算機（EDVAC）と呼ばれる機械の構築を提案し、ENIACが完全に稼働する前にペンシルバニア大学ムーア電気工学部で設計作業が開始されました。この設計では、ENIACの構築中に考え出されたいくつかの重要なアーキテクチャと論理の改良と、高速シリアルアクセスメモリが実装されました。[106]しかし、エッカートとモークリーはプロジェクトから離脱し、その構築は行き詰まりました。
1945年、フォン・ノイマンはムーア学校を訪れ、そこで見たものをメモしてプロジェクトに送りました。そこの米軍連絡係がそれをタイプし、EDVACに関する報告書の第一草案として回覧させました。この草案にはエッカートとモークリーについて触れられておらず、不完全な性質といくつかのアイデアの出典の帰属に関する疑問点にもかかわらず、[55]ここで概説されたコンピュータアーキテクチャは「フォン・ノイマンアーキテクチャ」 として知られるようになりました。
1945 年、チューリングは英国国立物理学研究所に加わり、電子式プログラム記憶方式のデジタル コンピュータの開発に着手しました。1945 年後半に発表した報告書「電子計算機の提案」は、この種の装置に関する最初のかなり詳細な仕様でした。チューリングは1946 年 3 月に国立物理学研究所(NPL) の執行委員会にさらに詳細な論文を提出し、プログラム記憶方式のコンピュータのほぼ完全な設計を初めて提示しました。この装置はAutomatic Computing Engine (ACE) と呼ばれました。
チューリングは、コンピュータメモリの速度とサイズが重要な要素であると考え、[107] : p.4 そのため、今日では25KBと呼ばれる高速メモリを1MHzの速度でアクセスすることを提案しました。ACEはサブルーチン呼び出しを実装しましたが、EDVACは実装しませんでした。また、ACEはプログラミング言語の初期の形式であるAbbreviated Computer Instructionsも使用しました。
マンチェスターベイビー
マンチェスター・ベイビー（小規模実験機械、SSEM）は、世界初の電子プログラム記憶式コンピュータであった。マンチェスター・ヴィクトリア大学でフレデリック・C・ウィリアムズ、トム・キルバーン、ジェフ・トゥーティルによって構築され、1948年6月21日に最初のプログラムを実行した。[108]
このマシンは実用的なコンピュータとして設計されたものではなく、最初のランダムアクセスデジタル記憶装置であるウィリアムズ管のテストベッドとして設計された。 [109] 1946年と1947年にマンチェスター大学のフレディ・ウィリアムズとトム・キルバーン[110] [111]によって発明されたウィリアムズ管は、二次放出と呼ばれる効果を利用して電子バイナリデータを一時的に保存するブラウン管であり、いくつかの初期のコンピュータでうまく使用されました。
1998年の回顧録では小さく原始的と評されたベイビーは、現代の電子計算機に不可欠な要素をすべて備えた最初の実用機械だった。[112]設計の実現可能性が実証されるとすぐに、大学ではその設計をより使いやすい計算機、マンチェスター・マーク1に発展させるプロジェクトが開始された。マーク1はすぐにフェランティ・マーク1のプロトタイプとなり、世界初の市販汎用計算機となった。[113]
Baby は32 ビットの ワード長と32 ワードのメモリを持っていた。これは可能な限り単純なプログラム内蔵型コンピュータとなるように設計されたため、ハードウェアで実装された算術演算は減算と否定のみで、他の算術演算はソフトウェアで実装された。このマシン用に書かれた 3 つのプログラムのうち最初のプログラムは、 2 18の最大の真除数(262,144) を求めるものであった。この計算は、除算が除数の繰り返し減算で実装されていたため、2 18 − 1より下のすべての整数をテストすることで実行に長時間かかることが知られており、コンピュータの信頼性を証明していた。このプログラムは 17 の命令で構成され、Baby が 350 万回の演算を実行した後 (実効 CPU 速度は 1.1 kIPS ) 、52 分間実行されて正解の 131,072 に到達した。答えの連続近似値は、保存に使用されたウィリアムズ管に保持されたパターンを反映した 出力CRT上のドットのパターンとして表示されました。
マンチェスター マーク 1
SSEMはマンチェスター大学でマンチェスター・マーク1の開発につながった。 [114]作業は1948年8月に始まり、最初のバージョンは1949年4月に稼働した。メルセンヌ素数を探すために書かれたプログラムは、1949年6月16日と17日の夜に9時間エラーなく動作した。このマシンの成功した動作は英国の新聞で広く報道され、読者に「電子頭脳」という言葉で説明された。
このコンピュータは、先駆的にインデックス レジスタを組み込んだことで特に歴史的に重要な意味を持ちます。インデックス レジスタは、プログラムがメモリ内のワード配列を順番に読み取ることを容易にする革新的技術です。このマシンの開発により 34 件の特許が取得され、その設計の背後にあるアイデアの多くは、IBM 701や702、Ferranti Mark 1 などのその後の製品に取り入れられました。主任設計者のFrederic C. WilliamsとTom Kilburn は、Mark 1 での経験から、コンピュータは純粋数学よりも科学的役割で使用されることが多くなるだろうという結論に達しました。1951 年、彼らはMark 1 の後継機で浮動小数点ユニットを含むMegの開発作業を開始しました。
EDSACC について
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最初の近代的なデジタルプログラム内蔵型コンピュータ[115]のもう一つの候補はEDSAC [116]で、 1949年にイギリスのケンブリッジ大学数学研究所のモーリス・ウィルクスと彼のチームによって設計・構築されました。このマシンは、ジョン・フォン・ノイマンのEDVACに関する報告書の重要な第一草稿に触発され、最初に実際に動作した電子デジタルプログラム内蔵型コンピュータの1つでした。[h]
EDSACは1949年5月6日に最初のプログラムを実行し、平方数表[119]と素数リストを計算しました。EDSACは、食品製造会社J. Lyons＆Co. Ltd.が使用した最初の商用コンピュータであるLEO Iの基礎にもなりました 。EDSAC 1は最終的に1958年7月11日にシャットダウンされ、EDSAC 2に置き換えられ、1965年まで使用されました。[120]
「脳」（コンピュータ）はいつか私たち（一般人）のレベルまで降りてきて、所得税や簿記の計算を手伝ってくれるかもしれません。しかし、これは推測であり、今のところその兆候はありません。
— イギリスの新聞「ザ・スター」は、パーソナルコンピュータの時代よりずっと前の1949年6月にEDSACコンピュータに関するニュース記事を書いた。 [121]
エドバック
ENIACの発明者であるジョン・モークリーとJ・プレスパー・エッカートは1944年8月にEDVACの構築を提案し、 ENIACが完全に稼働する前にペンシルバニア大学ムーア電気工学部でEDVACの設計作業が開始された。この設計では、ENIACの構築中に考え出されたいくつかの重要なアーキテクチャ上および論理上の改良と、高速シリアルアクセスメモリが実装された。[106]しかし、エッカートとモークリーはプロジェクトから離脱し、その構築は行き詰まった。
最終的に、1949 年 8 月にアバディーン性能試験場のアメリカ陸軍弾道研究所に納入されましたが、さまざまな問題があったため、コンピューターは 1951 年にようやく運用が開始され、その後も限定的にしか運用されませんでした。
商用コンピュータ
最初の商用コンピュータはフェランティ・マーク1で、フェランティ社によって製造され、1951年2月にマンチェスター大学に納入された。これはマンチェスター・マーク1をベースとしていた。マンチェスター・マーク1に対する主な改良点は、一次記憶装置（ランダムアクセス ウィリアムズ管を使用）、二次記憶装置（磁気ドラムを使用）、より高速な乗算器、および追加の命令のサイズであった。基本サイクル時間は1.2ミリ秒で、乗算は約2.16ミリ秒で完了することができた。乗算器は、マシンの4,050本の真空管（バルブ）のほぼ4分の1を使用した。[122] 2台目のマシンはトロント大学によって購入され、その後、設計がマーク1スターに改訂された。これらの後期マシンのうち少なくとも7台が1953年から1957年の間に納入され、そのうち1台はアムステルダムのシェル研究所に納入された。[123]
1947年10月、イギリスのケータリング会社で、喫茶店で有名だが新しいオフィス管理技術に強い関心を持っていたJ. Lyons & Companyの役員らは、コンピュータの商業的開発を促進するために積極的な役割を果たすことを決定した。LEO Iコンピュータ（Lyons Electronic Office）は1951年4月に運用を開始し[124]、世界初の定期的なオフィスコンピュータジョブを実行した。1951年11月17日、J. Lyons社は、LEOでパン屋の評価ジョブを毎週実行し始めた。これは、プログラム内蔵型コンピュータで稼働した最初のビジネスアプリケーションであった。 [i]
1951年6月、UNIVAC I（ユニバーサル自動コンピュータ）が米国国勢調査局に納入されました。レミントンランドは最終的に46台のマシンを1台あたり100万ドル以上（2024年時点で1170万ドル）で販売しました。[125] UNIVACは最初の「大量生産」コンピュータでした。5,200本の真空管を使用し、消費電力は電力は125 kWでした。主なストレージは、11 桁の 10 進数と符号 (72 ビット ワード) の 1,000 ワードを保存できる シリアル アクセス水銀遅延線でした。
1952年、Compagnie des Machines Bull社はGamma 3コンピュータをリリースした。これはヨーロッパで大成功を収め、最終的に1,200台以上を販売し、1,000台以上生産された最初のコンピュータとなった。[126] Gamma 3には、デュアルモード、ソフトウェア切り替え可能、BCDおよびバイナリALU、科学計算用のハードワイヤード浮動小数点ライブラリなど、当時としては革新的な機能があった。[126] ET構成では、Gamma 3ドラムメモリには約50,000の命令を収容でき、容量は16,384ワード（約100kB）で、当時としては大容量であった。[126]
UNIVACと比較して、IBMは1954年に小型で手頃な価格のコンピュータを導入し、非常に人気を博しました。[j] [128] IBM 650の重量は900 kg、付属の電源装置の重量は約1350 kgで、両方とも約1.5 × 0.9 × 180万台のシステム。システムの価格は50万ドル[129]（2024年時点で567万ドル）、または月額3,500ドル（2024年時点で4万ドル）でリース可能だった。[125]ドラムメモリは当初10桁のワード2,000個だったが、後に4,000ワードに拡張された。このようなメモリ制限が、その後数十年にわたってプログラミングを支配することになった。プログラム命令は、コードの実行時に回転するドラムからフェッチされた。ドラムメモリを使用した効率的な実行は、ハードウェアアーキテクチャ（命令フォーマットに次の命令のアドレスが含まれる）とソフトウェアの組み合わせによって提供された。シンボリック最適アセンブリプログラム（SOAP）[130]は、命令を最適なアドレスに割り当てた（ソースプログラムの静的解析で可能な範囲で）。したがって、多くの命令は、必要に応じてドラムの次の行に配置され、読み取られ、ドラムの回転のための追加の待ち時間が短縮された。
マイクロプログラミング
1951年、イギリスの科学者モーリス・ウィルクスは、コンピュータの中央処理装置を高速ROM内の小型で高度に特殊化されたコンピュータプログラムで制御できるという認識から、マイクロプログラミングの概念を開発しました。マイクロプログラミングにより、基本命令セットを組み込みプログラム（現在はファームウェアまたはマイクロコードと呼ばれています）で定義または拡張できます。[131]この概念により、CPU開発が大幅に簡素化されました。彼は1951年にマンチェスター大学コンピュータ創立会議でこれを最初に説明し、その後1955年にIEEE Spectrumで拡張された形式で発表しました。 [要出典]
これはメインフレームや他のコンピュータのCPUや浮動小数点ユニットで広く使用されていました。EDSAC 2で初めて実装され、[132]設計を簡素化するために複数の同一の「ビットスライス」も使用されました。プロセッサの各ビットには、交換可能なチューブアセンブリが使用されました。[k]
磁気メモリ
磁気ドラムメモリは、第二次世界大戦中に米国海軍向けに開発され、 1946年と1947年にエンジニアリング・リサーチ・アソシエイツ（ERA）で作業が続けられました。当時Univacの一部門だったERAは、 1953年2月に発表した1103にドラムメモリを搭載しました。同じく1953年に発表された最初の量産コンピュータであるIBM 650には、約8.5キロバイトのドラムメモリが搭載されていました。
磁気コアメモリは1949年に特許を取得[134]し、 1953年8月にWhirlwindコンピュータで初めて使用されました。[135] その後すぐに商品化されました。磁気コアは1955年7月に納品されたIBM 702の周辺機器に使用され、後に702自体にも使用されました。IBM 704（1955年）とFerranti Mercury（1957年）は磁気コアメモリを使用していました。磁気コアは1970年代までこの分野を支配し続けましたが、半導体メモリに置き換えられました。磁気コアは1975年頃にピークに達し、その後使用量と市場シェアは減少しました。[136]
1980 年になっても、磁気コアメインメモリとスワップ用のドラムを使用する PDP-11/45 マシンは、多くのオリジナルの UNIX サイトでまだ使用されていました。
初期のデジタルコンピュータの特徴
トランジスタコンピュータ
バイポーラトランジスタは1947年に発明されました。1955年以降、コンピュータの設計では真空管に代わってトランジスタが使われるようになり、 [138]「第2世代」のコンピュータが誕生しました。真空管と比較して、トランジスタには多くの利点があります。小型で、真空管よりも消費電力が少ないため、発熱も少なくなります。シリコン接合トランジスタは真空管よりもはるかに信頼性が高く、耐用年数も長かったです。トランジスタ化されたコンピュータは、比較的コンパクトなスペースに数万のバイナリ論理回路を収容できました。トランジスタにより、コンピュータのサイズ、初期コスト、運用コストが大幅に削減されました。通常、第2世代のコンピュータは、 IBM標準モジュラーシステムなどの多数のプリント回路基板で構成され、[139]各基板には1〜4個の論理ゲートまたはフリップフロップが搭載されていました。
マンチェスター大学では、トム・キルバーン率いるチームが、真空管の代わりに新開発のトランジスタを使ったマシンを設計・製作した。当初、使えるデバイスはゲルマニウム 点接触トランジスタだけだったが、これは置き換えた真空管よりも信頼性は低かったが、消費電力ははるかに少なかった。[140]彼らが開発した最初のトランジスタ化コンピュータは、世界初のもので、1953年には稼働を開始し、[141] 2番目のバージョンは1955年4月に完成した。[141] 1955年のバージョンは、200個のトランジスタと1,300個の固体 ダイオードを使用し、消費電力は150ワットだった。しかし、このマシンは125kHzのクロック波形を生成するためと、磁気ドラムメモリの読み書き回路に真空管を使用していたため、完全にトランジスタ化された最初のコンピュータではなかった。
その栄誉は、1955年にハーウェルの原子力研究所の電子工学部門によって作られたハーウェルCADETに与えられる[142] 。この設計は、英国国立物理学研究所で設計された複数の可動ヘッドを備えた64キロバイトの磁気ドラム記憶装置を特徴としていた。1953年までに、このチームは王立レーダー研究所のより小さな磁気ドラム上で読み書きするトランジスタ回路を動作させた。このマシンは、クロック波形を生成するために真空管を使用する必要がないように、わずか58kHzの低いクロック速度を使用していた。[143] [142]
CADET は、英国のStandard Telephones and Cables社製の 324 点接触トランジスタを使用していました。点接触トランジスタはノイズが多すぎるため、ドラムからデータを読み取るための第 1 段階の増幅器には76 個の接合トランジスタが使用されました。1956 年 8 月から、CADET は定期的な計算サービスを提供し、その間に 80 時間以上の連続計算を実行することもよくありました。[144] [145]初期の点接触トランジスタと合金接合トランジスタの信頼性の問題により、マシンの平均故障間隔は約 90 分でしたが、より信頼性の高いバイポーラ接合トランジスタが利用可能になると、この時間は改善されました。[146]
マンチェスター大学のトランジスタ・コンピュータの設計は、地元のエンジニアリング会社メトロポリタン・ヴィッカース社によって、世界初の商用トランジスタ・コンピュータであるメトロポリタン・ヴィッカース社のメトロヴィック950に採用された。 [147]メトロヴィック950は6台製造され、最初のものは1956年に完成した。それらは会社の様々な部門にうまく導入され、約5年間使用された。[141]第二世代のコンピュータであるIBM 1401は、世界市場の約3分の1を占めた。IBMは1960年から1964年の間に1万台以上の1401を設置した。
トランジスタ周辺機器
トランジスタ化された電子機器は、CPU (中央処理装置) だけでなく、周辺機器も改良しました。第 2 世代のディスク データ ストレージ ユニットは、数千万の文字と数字を保存できました。高速データ転送を介して CPU に接続された固定ディスクストレージ ユニットの隣には、取り外し可能なディスク データ ストレージ ユニットがありました。取り外し可能なディスク パックは、数秒で簡単に別のパックと交換できます。取り外し可能なディスクの容量は固定ディスクよりも小さいですが、互換性があるため、ほぼ無制限の量のデータを手元に置いておくことができます。磁気テープは、ディスクよりも低コストで、このデータをアーカイブする機能を提供しました。
第 2 世代の CPU の多くは、周辺機器との通信をセカンダリ プロセッサに委任しました。たとえば、通信プロセッサがカードの読み取りとパンチ処理を制御している間に、メイン CPU は計算とバイナリ分岐命令を実行しました。1 つのデータバスは、 CPU のフェッチ実行サイクルレートでメイン CPU とコア メモリ間のデータを伝送し、他のデータバスは通常、周辺機器に使用されます。PDP -1では、コア メモリのサイクル時間は 5 マイクロ秒でした。その結果、ほとんどの演算命令は 10 マイクロ秒 (1 秒あたり 100,000 操作) かかりました。これは、ほとんどの操作が少なくとも 2 つのメモリ サイクル (命令に 1 つ、オペランドデータのフェッチに 1 つ) を要したためです。
第二世代では、リモート端末ユニット（多くの場合、 Friden Flexowriterのようなテレプリンターの形をとった）の使用が大幅に増加しました。[l]電話接続は初期のリモート端末に十分な速度を提供し、リモート端末とコンピューティング センター間の距離を数百キロメートルにまで広げることができました。最終的に、これらのスタンドアロン コンピュータ ネットワークは、相互接続されたネットワークのネットワーク、つまりインターネットに一般化されました。[m]
トランジスタスーパーコンピュータ
1960年代初頭にはスーパーコンピューティングが登場した。アトラスはマンチェスター大学、フェランティ、プレッシーの共同開発で、マンチェスター大学に最初に設置され、1962年に世界初のスーパーコンピュータの1つとして正式に運用開始された。当時、世界最強のコンピュータと考えられていた。[150]アトラスがオフラインになると、英国のコンピュータ容量の半分が失われたと言われていた。[151]これは、個別の ゲルマニウム トランジスタを使用した第2世代のマシンだった。アトラスは、多くの人に最初の認識可能な現代のオペレーティングシステムであると考えられているアトラススーパーバイザの先駆者でもあった。[152]
米国では、コントロール・データ・コーポレーション（CDC）の一連のコンピュータが、革新的な設計と並列処理を使用して優れた計算ピーク性能を達成するようにシーモア・クレイによって設計された。 [153] 1964年にリリースされたCDC 6600は、一般に最初のスーパーコンピュータと考えられている。[154] [155] CDC 6600は、その前身であるIBM 7030 Stretchを約3倍上回る性能を発揮した。約1 メガFLOPSの性能を備えたCDC 6600は、1964年から1969年まで世界最速のコンピュータであったが、その後、後継機であるCDC 7600にその地位を譲った。
集積回路コンピュータ
デジタル電子コンピュータの「第 3 世代」では、ロジックの基礎として 集積回路(IC) チップが使用されました。
集積回路のアイデアは、国防省の王立レーダー研究所に勤務するレーダー科学者、ジェフリー・WA・ダマーによって考案されました。
最初の実用的な集積回路は、テキサス・インスツルメンツのジャック・キルビーとフェアチャイルドセミコンダクターのロバート・ノイスによって発明された。[156]キルビーは1958年7月に集積回路に関する最初のアイデアを記録し、1958年9月12日に最初の実用的な集積回路の例を成功裏に実証した。 [157]キルビーの発明はハイブリッド集積回路（ハイブリッドIC）だった。[158]外部に配線接続があったため、大量生産が困難だった。[159]
ノイスはキルビーの半年後に集積回路のアイデアを思いついた。[160]ノイスの発明はモノリシック集積回路(IC) チップだった。[161] [159]彼のチップはキルビーのチップが解決できなかった多くの実際的な問題を解決した。フェアチャイルドセミコンダクターで生産されたそれはシリコンで作られていたが、キルビーのチップはゲルマニウムで作られていた。ノイスのモノリシック IC の基礎となったのはフェアチャイルドのプレーナープロセスであり、これによりプリント回路と同じ原理で集積回路をレイアウトすることができた。プレーナープロセスは1959年初頭にノイスの同僚であるジーン・ホーニによって開発されたが、これは1950年代後半にベル研究所でモハメド・M・アタラが行った二酸化ケイ素による半導体表面の不活性化に関する研究に基づいていた。[162] [163] [164]
第三世代（集積回路）コンピュータは、1960年代初頭に政府用に開発されたコンピュータに初めて登場し、1960年代半ばから商用コンピュータに登場しました。最初のシリコンICコンピュータは、アポロ誘導コンピュータ（AGC）でした。[165]当時最も強力なコンピュータではありませんでしたが、アポロ宇宙船のサイズ、質量、電力に関する厳しい制約により、AGCは以前のどのコンピュータよりもはるかに小型で高密度である必要があり、重量はわずか70ポンド（32kg）でした。各月面着陸ミッションでは、コマンドモジュールと月着陸船に1つずつ、合計2つのAGCが搭載されました。
半導体メモリ
MOSFET （金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、またはMOSトランジスタ）は、1959年にベル研究所のモハメド・M・アタラとダウォン・カーンによって発明されました。[ 166 ]データ処理に加えて、MOSFETにより、以前は磁気コアが果たしていた機能であるメモリセルストレージ要素としてのMOSトランジスタの実用化が可能になりました。MOSメモリとしても知られる半導体メモリは、磁気コアメモリよりも安価で消費電力が少なくて済みました。[167] MOSランダムアクセスメモリ（RAM）は、スタティックRAM （SRAM）の形式で、 1964年にフェアチャイルドセミコンダクターのジョン・シュミットによって開発されました。[167] [168] 1966年にIBMトーマス・J・ワトソン研究センターのロバート・デナードがMOSダイナミックRAM（DRAM）を開発しました。[169] 1967年、ベル研究所のダウォン・カーンとサイモン・ゼーは、EPROM、EEPROM、フラッシュメモリなどのMOS不揮発性メモリの基礎となるフローティングゲートMOSFETを開発した。[170] [171]
マイクロプロセッサコンピュータ
デジタル電子コンピュータの「第4世代」は、マイクロプロセッサをロジックの基礎として使用しました。マイクロプロセッサの起源はMOS集積回路（MOS IC）チップにあります。[172] MOSFETの急速なスケーリングにより、MOS ICチップはムーアの法則で予測された速度で急速に複雑化し、1960年代後半には1つのMOSチップ上に数百のトランジスタを備えた大規模集積回路（LSI）につながりました。MOS LSIチップをコンピューティングに適用したことが最初のマイクロプロセッサの基礎となり、エンジニアは完全なコンピュータプロセッサを1つのMOS LSIチップに収めることができることに気づき始めました。 [172]
最初のマイクロプロセッサが正確にどのデバイスであったかという問題は、部分的には「マイクロプロセッサ」という用語の正確な定義に関する合意の欠如により、議論の的となっている。最も初期のマルチチップマイクロプロセッサは、複数のMOS LSIチップで開発された1969年のFour-Phase Systems AL-1と1970年のGarrett AiResearch MP944であった。 [172]最初のシングルチップマイクロプロセッサはIntel 4004であり、[173]単一のPMOS LSIチップで開発された。[172]これは、IntelのTed Hoff、Federico Faggin、Masatoshi Shima、Stanley Mazorによって設計および実現され、1971年にリリースされた。[n]電卓メーカーのBusicomのTadashi SasakiとMasatoshi Shimaは、CPUがIntelによって供給される単一のMOS LSIチップである可能性があるという最初の洞察を持っていた。[175] [173]
最も初期のマイクロプロセッサ IC には、文字通りコンピュータのプロセッサ、つまり中央処理装置のみが含まれていましたが、開発が進むにつれて、チップにはコンピュータの内部電子部品のほとんどまたはすべてが含まれるようになりました。たとえば、右の画像の集積回路 ( Intel 8742 ) は、12 MHz で動作する CPU、128 バイトのRAM、2048 バイトのEPROM、およびI/O が同じチップに 搭載された8 ビットのマイクロコントローラです。
1960年代には、第2世代と第3世代の技術の間にかなりの重複があった。[o] IBMは1964年にIBM System/360用のハイブリッド回路にIBMソリッドロジックテクノロジーモジュールを実装した。 1975年になっても、Sperry UnivacはUNIVAC 494などの第2世代マシンの製造を続けていた。B5000などのBurroughsの大型システムはスタックマシンであり、より簡単なプログラミングが可能だった。これらのプッシュダウンオートマトンも後にミニコンピュータやマイクロプロセッサに実装され、プログラミング言語の設計に影響を与えた。ミニコンピュータは、産業界、企業、大学のための低コストのコンピュータセンターとして機能した。[176]ミニコンピュータ上で、電子設計自動化（ EDA ）プログラムの1つであるシミュレーションプログラム、またはSPICE（1971）を使用してアナログ回路をシミュレートすることが可能になった。マイクロプロセッサは、個人や中小企業が所有できる小型で低コストのコンピュータであるマイクロコンピュータの開発につながった。マイクロコンピュータは 1970 年代に初めて登場し、1980 年代以降には広く普及しました。
どの製品が最初のマイクロコンピュータシステムと考えられているかは議論の余地があるが、最も初期のものの一つは、Intel 8008を使用して「1973年初頭」に発売されたR2EのMicral N（François Gernelle、André Truong ）である。[177]最初に市販されたマイクロコンピュータキットは、Intel 8080ベースのAltair 8800で、1975年1月のPopular Electronicsの表紙記事で発表された。しかし、Altair 8800は初期段階では非常に限定されたシステムであり、最初のパッケージには256バイトのDRAMしかなく、トグルスイッチとLEDレジスタディスプレイ以外の入出力はなかった。それにもかかわらず、当初は驚くほど人気があり、初年度に数百台が販売され、需要が急速に供給を上回った。CromemcoやProcessor Technologyなどの初期のサードパーティベンダーのいくつかは、すぐにAltair 8800用の 追加のS-100バスハードウェアの供給を開始した。
1975 年 4 月、ハノーバー フェアでオリベッティは世界初の完全な組み立て済みパーソナル コンピュータ システムであるP6060 を発表しました。中央処理装置は PUCE1 および PUCE2 というコード名の 2 枚のカードで構成され、他のほとんどのパーソナル コンピュータとは異なり、マイクロプロセッサではなくTTLコンポーネントで構築されていました。1 台または 2 台の 8 インチフロッピー ディスクドライブ、32 文字のプラズマ ディスプレイ、80 列のグラフィカルサーマル プリンタ、48 KB のRAM、およびBASIC言語を備えていました。重量は 40 kg (88 ポンド) でした。完全なシステムとしては、これは Altair からの大きな進歩でしたが、同じ成功を収めることはありませんでした。外付けフロッピー ディスク ドライブを備えた IBM の類似製品と競合していました。
1975 年から 1977 年にかけて、 MOS Technology KIM-1、Altair 8800、Apple Iの一部のバージョンなど、ほとんどのマイクロコンピュータはDIY 愛好家向けのキットとして販売されていました。組み立て済みシステムは、Apple II、Tandy TRS-80、最初のSWTPCコンピュータ、およびCommodore PETが導入された 1977 年まではあまり普及しませんでした。コンピューティングはマイクロコンピュータ アーキテクチャとともに進化し、現在ではほとんどの市場セグメントで主流となっている、より大型の同類の機能が追加されています。
NeXT コンピュータとそのオブジェクト指向開発ツールおよびライブラリは、CERNのTim Berners-LeeとRobert Cailliauによって世界初のWeb サーバーソフトウェアであるCERN httpdの開発に使用され、また、世界初のWeb ブラウザーであるWorldWideWebの作成にも使用されました。
コンピュータのように複雑なシステムには、非常に高い信頼性が求められます。ENIAC は 1947 年から 1955 年まで 8 年間連続稼働した後、シャットダウンされました。真空管が故障しても、システムを停止することなく交換できました。ENIAC を決してシャットダウンしないという単純な戦略によって、故障は劇的に減少しました。真空管を使用したSAGE防空コンピュータは、驚くほど信頼性が高くなりました。2 台でインストールされ、一方がオフラインの場合、故障しそうな真空管は、コンピュータを意図的に低電力で稼働させて故障の原因を探した際に故障しました。ホットプラグ可能なハードディスクは、昔のホットプラグ可能な真空管と同様に、連続稼働中に修理するという伝統を引き継いでいます。半導体メモリは、動作中にエラーが発生することは通常ありませんが、Unix などのオペレーティング システムでは、起動時にメモリ テストを行って故障したハードウェアを検出しています。今日、サーバー ファームが配信プラットフォームである場合、信頼性の高いパフォーマンスの要件はさらに厳しくなります。[178] Googleは、ハードウェア障害からの回復にフォールトトレラントソフトウェアを使用することでこれを管理しており、サービスイベント中にサーバーファーム全体をオンザフライで交換するというコンセプトにも取り組んでいます。[179] [180]
21 世紀には、マルチコアCPU が市販されるようになりました。[181] 連想メモリ(CAM) [182]はネットワークで使用できるほど安価になり、現代のマイクロプロセッサのオンチップキャッシュ メモリによく使用されていますが、プログラミング言語で使用するためのハードウェア CAM を実装したコンピュータ システムはまだありません。現在、ソフトウェアの CAM (または連想配列) はプログラミング言語に固有です。半導体メモリ セル アレイは非常に規則的な構造で、メーカーはそれらの上でプロセスを実証しています。これにより、メモリ製品の価格を下げることができます。1980 年代には、CMOS ロジック ゲートは他の回路タイプと同じくらい高速に製造できるデバイスに発展しました。そのため、コンピュータの電力消費を大幅に削減できます。他のロジック タイプに基づくゲートの継続的な電流消費とは異なり、CMOS ゲートは、リークを除いて、ロジック状態間の「遷移」中にのみ大きな電流を消費します。[183]
CMOS回路により、コンピューティングはグリーティングカードや電話から衛星まで、さまざまな形で組み込まれ、今やユビキタスな商品となりました。動作中に消費される熱設計電力は、コンピューティングの動作速度と同じくらい重要になっています。2006年には、サーバーは米国の総エネルギー予算の1.5％を消費しました[184]。コンピュータデータセンターのエネルギー消費は、2011年までに世界の消費量の3％に倍増すると予想されています。SoC （システムオンチップ）は、さらに多くの集積回路を1つのチップに圧縮しました。SoCにより、電話とPCを1つのハンドヘルドワイヤレスモバイルデバイスに統合できるようになりました。[185]
量子コンピューティングは、コンピューティング分野における新興技術です。MITテクノロジーレビューは2017年11月10日、IBMが50量子ビットのコンピューターを開発したと報じました。現在、その量子状態は50マイクロ秒持続します。[186] Googleの研究者は、2021年7月14日にNatureで報告されたように、50マイクロ秒の時間制限を延長することができました。[187]量子エラー訂正のために単一の論理量子ビットをデータ量子ビットのチェーンに分散させることで、安定性が100倍に拡張されました。[187] Physical Review Xは2018年11月26日、「スピン量子ビット（シリコンの一重項-三重項スピン状態）の実用的な読み出し方法としてのシングルゲートセンシング」の技術を報告した。[188] Googleチームは、RFパルス変調チップを3 ケルビンで動作させることに成功し、0.3 Kで動作するように設定されている72量子ビットコンピュータの極低温処理を簡素化した 。しかし、読み出し回路と別のドライバを極低温処理に持ち込む必要がある。[189] [p] 参照：量子優位性[191] [192]シリコン量子ビットシステムは、非局所距離でのエンタングルメントを実証した。[193]
コンピュータハードウェアとそのソフトウェアは、宇宙の運行の比喩にもなっています。[194]
エピローグ
この分野の発展の速さは、バークス、ゴールドスタイン、フォン・ノイマンによる1947年の画期的な論文の歴史から推測できる。[195]誰かが何かを書き留める時間ができた頃には、それは時代遅れになっていた。1945年以降、他の人々がジョン・フォン・ノイマンの EDVACに関する報告書の第一草稿を読み、すぐに独自のシステムの実装を開始した。今日まで、急速な発展のペースは世界中で続いている。[q] [r]
参照
- アンティキティラ島の機械
- コンピュータの歴史
- コンピュータハードウェアの歴史（1960年代～現在）
- ノートパソコンの歴史
- パーソナルコンピュータの歴史
- ソフトウェアの歴史
- 情報化時代
- IT歴史協会
- レトロコンピューティング
- コンピューティングのタイムライン
- コンピュータサイエンスの先駆者リスト
- 真空管コンピュータ
注記
- ^ イシャンゴ骨は、紀元前1万8000年から2万年頃の後期旧石器時代のものとされる骨器である。ヒヒの腓骨に相当する暗褐色の骨である。この器の全長にわたって3列に刻まれた目盛りがある。1960年にベルギー領コンゴで発見された。[1]
- ^ Schmandt-Besserat 1981 によると、これらの粘土容器にはトークンが入っており、その合計が輸送される物体の数であった。したがって、容器は船荷証券または帳簿のような役割を果たした。容器が破壊されるのを避けるために、まず、トークンの粘土の刻印が容器の外側に配置され、それが数を示すものであった。刻印の形は抽象化されて様式化されたマークとなり、最終的に抽象的なマークが数字として体系的に使用され、これらの数字は最終的に数字として形式化された。最終的に (Schmandt-Besserat は 5000 年かかったと推定している。[5] )、容器の外側のマークだけで数を伝えることができ、粘土容器は数を示すマークが刻まれた粘土板へと進化した。
- ^ Robson は Schmandt-Besserat (1981) の補足として少なくとも 1 つを推奨しています。たとえば、Englund, R. (1993) のレビュー「The origins of script」。Science . 260 ( 5114): 1670–1671. doi :10.1126/science.260.5114.1670. PMID 17810210。[7]
- ^ネイピア の骨のスペインでの実施（1617年）は、Montaner＆Simon 1887、pp. 19-20に記載されています。
- ^ 9 台のマシンはすべて Vidal & Vogt 2011 で説明されています。
- ^ 2進化10進数（BCD）は、現在でも広く使用されている数値表現、または文字エンコードです。
- ^ Colossus の存在は英国政府によって 30 年間秘密にされていたため、ゴードン・ベルやアレン・ニューウェルなどのアメリカのコンピュータ科学者には知られていなかった。また、 1970 年代の標準的な参考書である Bell & Newell (1971) Computing Structuresにも記載されていなかった。
- ^ マンチェスターベイビーはEDSACより前にプログラム内蔵型コンピュータとして登場したが、ウィリアムズ管のテストベッドとして作られたものであり、実用機として作られたものではなかった。[117]しかし、1949年のマンチェスターマーク1（1948年のプロトタイプであるベイビーと混同しないように）は、まだ開発中であったにもかかわらず、1949年4月に大学の研究に利用可能になった。[118]
- ^ Martin 2008、p. 24 には、David Caminer (1915–2008) が、この最初のビジネス コンピュータ システムの最初の企業電子システム アナリストを務めたと記されています。LEO は、従業員の給与を計算し、請求書を処理し、その他のオフィス自動化タスクを処理しました。
- ^ 例えば、ドナルド・クヌースに関するカラ・プラトーニの記事では、「IBM 650には何か特別なものがあった」と述べられている。[127]
- ^ マイクロコードはAtlasのエクストラコードとして実装された。 [133]
- ^ アレン・ニューウェルは遠隔端末を使用してRANDのコンピュータと国境を越えて通信した。[148]
- ^ ボブ・テイラーは、特定のネットワークに関係なく、複数のネットワークを単一のセッションとして表示できるようにリンクする汎用プロトコルを考案しました。「ちょっと待ってください。端末が 1 つあれば、接続したいものに接続できるのでは? こうして、Arpanet が誕生しました。」[149]
- ^ Intel 4004（1971）のダイは12 mm 2で、2300個のトランジスタで構成されていました。比較すると、Pentium Proは306 mm 2で、550万個のトランジスタで構成されていました。[174]
- ^ 防衛分野では、Kalman 1960、pp. 35-45などの方程式のコンピュータによる実装に関してかなりの研究が行われました。
- ^ IBMの127量子ビットコンピュータは従来のコンピュータではシミュレートできない。[190]
- ^ DBLPは1979年まで遡って、 Annals of the History of Computingを年ごとに要約しています。 [196]
- ^現在、 トップ500のスーパーコンピュータの中で最も速いのは、オークリッジ国立研究所のフロンティアで、1.102エクサフロップスである[197]。これは、現在トップ500の2位である富岳の2.66倍の速度である。[198]
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External links
Wikiversity has learning resources about Introduction to Computers/History
Wikimedia Commons has media related to History of computing hardware.
- Obsolete Technology – Old Computers
- Things That Count
- Historic Computers in Japan
- The History of Japanese Mechanical Calculating Machines
- Computer History — a collection of articles by Bob Bemer
- 25 Microchips that shook the world (archived) – a collection of articles by the Institute of Electrical and Electronics Engineers
- Columbia University Computing History
- Computer Histories – An introductory course on the history of computing
- Revolution – The First 2000 Years Of Computing, Computer History Museum