Module Geschiedenis van de informatica

Transcriptie

1 Module Geschiedenis van de informatica

2 Voor Christus. Zoals je misschien al verwachte gebeurde er op het gebied van informatica zeer weinig in de eeuwen voor Christus. Het enige wat van deze tijd bekend is, is het Chinese telraam, de abacus, en het mechanisme van Antikythera. Abacus. Een abacus is een mechanisme om sommen en andere wiskundige berekeningen mee uit te voeren. Het is een voorloper van de rekenmachine en de computer. In de Westerse wereld wordt het tegenwoordig gebruikt als didactisch hulpmiddel bij het leren rekenen. Met name in het Verre Oosten wordt het nog wel gebruikt in winkels en dergelijke. Met een abacus kunnen bewerkingen met grote getallen worden uitgerekend. De kralen om de verschillende verticale staven representeren honderdtallen, tientallen of eenheden. In het onderwijs wordt hiermee het principe van lenen en inwisselen bij het cijferen concreet en visueel gemaakt. Bedreven abacus-rekenaars kunnen veel berekeningen sneller uitvoeren dan personen die gebruik maken van een zakrekenmachine. Antikythera Het mechanisme van Antikythera, dat gemaakt is in circa voor Christus, is een analoge computer die in 1901 uit een gezonken schip werd opgedoken, in de buurt van het Griekse eiland Antikythera. Het apparaat, met 29 door corrosie aangetaste bronzen tandwielen bleek gebruikt te kunnen worden om ingewikkelde astronomische tijdsberekeningen mee uit te voeren, zoals het berekenen van zonsverduisteringen. In 2008 werd ontdekt dat het daarnaast ook de kalender van culturele evenementen zoals de Olympische Spelen en de Spelen van Naa in Dodona kon weergeven. Het mechanisme bestaat uit verschillende lagen gegraveerde platen en tandwielen. Het gaf informatie over de stand van de zon, de maan en vier van de toen bekende planeten. Een maanwijzer gaf de maanfasen weer, een andere wijzer gaf informatie over de opkomst en de ondergang van de voornaamste heldere sterren. Het was zo geavanceerd dat een datum ingevoerd kon worden door middel van een aantal draaischijven waarna de gewenste informatie op de wijzerplaten getoond werd. En omgekeerd, door de wijzer op een belangwekkende astronomische gebeurtenis te zetten - bijvoorbeeld een maansverduistering - kon de bijbehorende datum afgelezen worden.

3 Mechanische rekenmachines In de jaren 0 tot 1800 vond er vooral ontwikkelingen omtrent informatica plaats in de 17 e eeuw. In deze eeuw was er een opkomst aan mechanische rekenmachines. Pascaline De Pascaline was een van de eerste mechanische rekenmachines, gemaakt door Blaise Pascal. Pascal heeft er van 1642 tot en met 1645 aan gewerkt. Pascal begon over een rekenmachine na te denken vanwege het vele rekenwerk dat zijn vader als belastingambtenaar beroepsmatig moest doen. Hij ontdekte dat het meest energieverslindend bij de eindeloze op- en aftelsommen het overdrachtsgetal is. Pascal ontwikkelde een houten kistje, waarin eerst zes, later acht tandradertjes naast elkaar geconstrueerd waren, die als in een horloge in elkaar grepen. Elke Franse muntsoort had zijn eigen tandwieltje en deed, wanneer het werd rondgedraaid, de wieltjes ernaast naargelang de waarde ten opzichte van elkaar verspringen: het effect van de overdracht. De rekenmachine van Schickard Wilhelm Schickard ontwierp een rekenmachine die getallen van zes cijfers kon optellen en aftrekken. Een overflow werd aangegeven door een bel. Schickard's brieven aan Johannes Kepler laten zien hoe de machine gebruikt kon worden om astronomische tabellen te berekenen. Schickard s rekenmachine was 20 jaar eerder ontworpen dan de Pascaline van Blaise Pascal en de rekenmachine van Gottfried Leibniz die ook kon vermenigvuldigen en delen. De eerst werkende model van Schickard s rekenmachine werd pas gebouwd in Schets van Schickard s rekenmachine Replica van Gottfried Leibniz s rekenmachine Werkend model van Schickard s rekenmachine

4 Babbage & Lovelace In de jaren 1800 tot 1900 werden er stappen gemaakt naar de eerste programmeerbare mechanische rekenmachine en werd het eerste type geheugen ontwikkeld; de ponskaarten. Twee grote pioniers in deze ontwikkelingen waren Charles Babbage en Ada Lovelace. De analytische machine Van 1834 tot aan zijn dood in 1871 was Babbage bezig met het concept van de eerste programmeerbare (mechanische) rekenmachine, die hij de analytische machine noemde (Analytical Engine). Dit was een waardige voorloper van de elektronische computer zoals wij die nu kennen, omdat hij in principe de basisfuncties van een eenvoudige computer zou hebben. Hij zou met ponskaarten werken, beslissingen nemen, berekeningen maken en uitkomsten onthouden. Het is nooit in zijn geheeld gebouwd, maar als het was gebouwd dan zou het een gigantisch apparaat geweest zijn, opgebouwd uit mechanische onderdelen als tandwielen en assen, dat zou moeten worden aangedreven door een stoommachine. De eerste Programmeur. Ada Lovelace kwam in contact met Babbage en hielp hem met het ontwerpen van de analytische machine. Ze suggereerde bijvoorbeeld dat de analytische machine gebruikt kon worden om Bernoulligetallen te berekenen. Bernoulli-getallen spelen een hele belangrijke rol in de wiskunde en hoewel zij gemakkelijk te berekenen zijn, is er geen eenvoudige beschrijving van deze getallen. Ada Lovelace schreef een plan om deze Bernoulligetallen uit te rekenen met de analytische machine. Dit uitgeschreven plan wordt nu beschouwd als het eerste computerprogramma. Ada Lovelace wordt nu gezien als de de eerste programmeur, omdat ze "programma's" schreef om symbolen volgens vaste regels te manipuleren met een machine, die Babbage op dat moment nog moest maken. Ze werkte ook het ponskaart-idee verder uit door voor te stellen bij terugkerende bewerkingsreeksen slechts één setje kaarten te gebruiken. Later is dit vertaald in de conditionele loop. Ze zag ook al in dat computers in staat waren meer dan enkel (zware) berekeningen te doen, terwijl anderen - waaronder ook Babbage zelf - slechts geïnteresseerd waren in de rekenkundige capaciteiten van een computer.

5 Elektrische rekenmachines. Tussen 1900 en 1950 gingen de ontwikkelingen ineens een stuk sneller er kwamen de eerste computers op de markt, al waren die vaker niet meer dan heel grote programmeerbare elektronische rekenmachines. Daarnaast kwam de wiskundige Alan Turing met zijn artikel over de Turingmachine dat op verschillende manieren invloed heeft gehad op de ontwikkeling van computers en informatica. De Turingmachine In de informatica is de Turingmachine een model van berekening en berekenbaarheid, ontwikkeld door de wiskundige Alan M. Turing in zijn beroemde artikel "On computable numbers, with an application to the Entscheidungsproblem" uit De Turingmachine is een uiterst eenvoudig mechanisme dat symbolen manipuleert en ondanks deze eenvoud kan men hiermee de logica van elke mogelijke computer simuleren. Hoewel ze technisch realiseerbaar zijn, zijn ze niet bedoeld voor praktische computertechnologie maar als een gedachte-experiment rond de limieten van mechanische berekeningen; ze worden dus niet echt gebouwd. De Turingmachine kan niet meer dan in één stap twee verschillende waarden aanpassen. Dit ongelooflijk eenvoudige mechanisme is waarschijnlijk in staat om elke berekening die kan worden beschreven uit te voeren. Al sinds de introductie van de Turingmachine in 1936 bestaat het vermoeden (onbewijsbaar) dat de Turingmachine een perfect model van berekenbaarheid is. Dat wil zeggen dat alles dat mechanisch berekend kan worden, berekend kan worden door een Turingmachine - en wat niet berekend kan worden door een Turingmachine, is niet mechanisch berekenbaar. Mechanisch berekenbaar wordt normaal gesproken algoritmisch berekenbaar genoemd. Een probleem P is algoritmisch berekenbaar als er een algoritme, een stappenplan, bestaat dat het probleem oplost. Als er een Turingmachine bestaat die een probleem oplost, dan bestaat een dergelijk algoritme. En omgekeerd. Het concept Een Turingmachine bestaat uit twee onderdelen: Een band van oneindige lengte, onderverdeeld in oneindig veel vakjes. Op elk moment is echter slechts een eindig deel van deze band beschreven. Een apparaat met een lees/schrijfkop (een eindigetoestandsautomaat genaamd), dat van de band kan lezen en erop kan schrijven.

6 Het actieve gedeelte van de machine is de eindigetoestandsautomaat. Deze automaat bevindt zich altijd in één bepaalde toestand. Deze toestand is er een uit een eindige verzameling van toestanden en de automaat kan, volgens bepaalde regels, overgaan van de ene toestand in de volgende. De toestandsautomaat herhaalt (mogelijk een oneindig aantal malen) de volgende cyclus: 1. (in een toestand P): Lees wat er op de band staat op de plaats waar de lees/schrijfkop nu staat -- noem dit bandkarakter K. 2. (nog steeds in toestand P): Zoek voor de combinatie (P, K) in de lijst van toestandsovergangen de combinatie (Q, K', D) op. 3. (nog steeds in toestand P): Schrijf K' op de band in plaats van K; verplaats het lees/schrijfhoofd één positie in de richting D (links of rechts); ga over naar toestand Q. 4. (in toestand Q): Als Q een accepterende toestand is, dan is de berekening klaar en is het goed -- stop dan; Als Q een afwijzende toestand is, dan kan er niet verder gerekend worden en is het verkeerd -- stop dan; Q is niet accepterend of afwijzend -- begin weer vooraan. Een berekening door een Turingmachine begint altijd in een speciaal aangewezen toestand (de begintoestand) met de leeskop aan het begin van de band. Als voorbeeld van een berekening tonen wij het optellen van twee getallen. Deze getallen staan op de band vanaf het begin (aan de linkerkant). Ieder getal is een serie van tekens '1' (bijvoorbeeld 3 is '111'). De twee afzonderlijke getallen worden gescheiden door een teken '0'. Verder staat er niets op de band ('lege' tekens). We beginnen in een begintoestand Qb. Een programma om deze getallen op te tellen ziet er als volgt uit: Herhaal totdat we in accepterende of afwijzende toestand zijn: 1. Lees het karakter van de band op de plaats van de kop. ( Onze K) 2. Is de toestand Qb: - Is dit karakter een '0' of '1', schrijf er dan een '1' (K ) voor in de plaats, verplaats de kop naar rechts(d) en blijf in toestand Qb (Q). - Is dit karakter 'leeg', schrijf er dan een 'leeg' karakter voor in de plaats, verplaats de kop naar links en ga naar toestand Q0. Is de toestand Q0: - Is dit karakter een '1', schrijf er dan een 'leeg' karakter voor in de plaats, verplaats de kop naar links en ga naar de accepterende toestand. - Is dit karakter een '0' of 'leeg', schrijf er dan een 'leeg' karakter voor in de plaats en ga naar de afwijzende toestand.

7 De Colossus en de ENIAC. De Colossus wordt wel gezien als de eerste elektronische computer. Hij werd eind 1943 in productie genomen. Daarmee was deze zeer geheime computer twee jaar eerder in bedrijf dan de publiekelijk bekende ENIAC. Vele jaren werd de ENIAC onterecht aangezien als de eerste programmeerbare elektronische computer. De Colossus was echter niet Turingvolledig waar de ENIAC dat wel was. Een programmeertaal, of een ander systeem om bewerkingen mee uit te drukken wordt Turing-volledig genoemd als het elke berekening of gegevensbewerking die geprogrammeerd kan worden, ook in dit systeem geprogrammeerd kan worden. De Colossus-machines werden tijdens de Tweede Wereldoorlog door de Britten gebruikt om het Duitse berichtenverkeer te ontcijferen. De Colossus was opgebouwd uit twee grote rekken met ongeveer 1500 elektronenbuizen voor de tellers, schuifregisters en logische bewerkingen. De Colossus kon geprogrammeerd worden via een paneel met schakelaars, stekkers en kabels. Om geen gebruik te moeten maken van ponsbanden tijdens de cyclus van berekeningen gebruikte men een enorm aantal elektronenbuizen om de gegevens tijdens de verwerking op te slaan, wat meteen een aanzienlijke snelheidswinst betekende. De ENIAC was een computer gebouwd voor het Amerikaanse leger en voltooid in Daarmee was de ENIAC de tweede elektronische computer die gebouwd werd, na de Britse Colossus. De naam is een afkorting en staat voor Electronic Numerical Integrator And Computer. De ENIAC was bedoeld voor het snel kunnen berekenen van trajecten van granaten en raketten. Voor de bouwers was de machine te laat klaar om nog een rol te kunnen spelen in de oorlog. Het was de supercomputer van zijn tijd. Een kundig persoon kon in twintig uur een zestig seconden durend traject berekenen, een "analoog differentiaal analyser" deed er vijftien minuten over, terwijl ENIAC in dertig seconden klaar was. De ENIAC kostte bijna dollar, nam enkele klaslokalen in beslag, bestond uit radiobuizen en woog 30 ton. Pas veel later werden computers kleiner en lichter toen de radiobuizen werden vervangen door transistors en nog weer later door microchips. In deze periode was er nog geen permanent geheugen (de harde schijf) en was het invoeren van gegevens of programma's in een computer vrij moeizaam. Dit gebeurde oorspronkelijk met schakelaartjes en ponsband, nog iets later met ponskaarten, en in een nog later stadium met magneetbanden. (extra weetje) De eerste bug De ontdekking van de eerste computerbug wordt wel (ten onrechte) toegeschreven aan Grace Murray Hopper. Bij het zoeken naar de oorzaak van een storing vond ze in één van de operators een. Dit insect werd in het logboek geplakt, met als bijschrift "first actual case of bug being found". Nadien vond men de term "debuggen" uit. Dit was het controleren of er geen ongedierte in de computer verscholen zat; later kreeg het de betekenis van het verwijderen van fouten uit programma-code.

8 Miniaturisatie Tussen 1950 en 1975 gingen de ontwikkelingen hard. Computers werden kleiner, sneller en konden ook steeds meer dan enkel rekenen zoals Ada Lovelace al had voorspeld. IBM beweerde dat er wereldwijd niet meer dan een stuk of 7 computers nodig zouden zijn. Het tijdschrift "Popular Mechanics" voorspelde wel dat er ooit een computer zou komen die 'maar' 1500 kilo zou wegen. Krimpen De computer waren voor 1950 groot, zwaar en duur worden omdat de onderdelen nog niet erg klein konden worden gemaakt. Daarom waren de eerste computers ook alleen in het bezit van overheden en grote bedrijven. De computers werden al een stuk kleiner toen in 1947 de transistor werd uitgevonden. De transistor is de fundamentele bouwsteen van computers en vele andere elektronische schakelingen. Met de enorme ontwikkeling van de elektronica kon de computer veel kleiner en sneller worden. De complexiteit van de chips werd in de jaren 70 verbeterd zodat het mogelijk werd om een complete processor (CPU) op een chip te integreren. Het werd daardoor veel goedkoper om een computer te bouwen en werden computers veel kleiner. Von Neumann. Edvac. John von Neumann speelde een belangrijke rol in deze tijd en wordt gezien als de grondlegger van de huidige computerarchitectuur wat de Von Neumann-architectuur wordt genoemd en is geïnspireerd door de ideeën van Turing. Binnen deze architectuur valt onder andere de Von Nuemann-cycle van de CPU. Deze architectuur wordt tot heden nog altijd gebruikt in alle niet-parallelle computer systemen. Daarnaast introduceerde hij ook het concept van inwendig opgeslagen programma s binnen de computer en realiseerde dit in 1952 met zijn Transistors In de door Von Neumann ontworpen computer staat de processor (CPU) centraal. De CPU communiceert met het werkgeheugen. Externe invoer en uitvoer stuurt de CPU naar de randapparatuur. WERKGEHEUGEN CPU RANDAPPARATUUR Nieuwe taken. Computers werden dus kleiner, goedkoper, sneller en konden steeds meer en werden dan ook voor andere dingen ingezet dan enkel rekenen. Zo namen ze bijvoorbeeld de taak over van telefonisten. Vanouds, voor de introductie van de automatische telefooncentrale, liepen alle gesprekken via telefonistes. Een oproeper zei tegen de telefoniste wie hij wenste te spreken en deze bracht, veelal door koorden met stoppen in klinken te steken, de gewenste verbinding tot stand. Ook werden steeds vaker de rekenaar, of vaker nog een rekenaarster (ook wel rekenmeisje genoemd) vervangen door computers. Sterker nog werd met een computer rond 1950 vaak nog rekenaar bedoelt. Vanaf die tijd ging computer vooral rekenmachine betekenen. Het vervangen van banen door machines en computers was begonnen en er kwamen geluiden dat er straks veel minder banen zullen zijn. Niets leek minder waar te zijn, want juist door de opkomst van de computer kwamen er vele andere banen vrij.

9 Sneltreinvaart De ontwikkelingen tussen 1975 en nu zijn bijna niet bij te houden. In deze jaren kwam de personal computer in opkomst, werd het internet uitgevonden, kwam de mobiele telefonie tot stand en werd ICT overal geïntegreerd. De personal computer. Met de opkomst van chips die goedkoop gemaakt konden worden kwam er een marktopgang voor personal computers. Waren er in 1975 nog maar sporadisch computers te vinden bij mensen thuis, is het nu bijna normaal dat iedereen thuis minstens één computer heeft staan. De eerste computers hadden nog geen harde schijf en werkten enkel met grote floppydisks van een paar Kb groot. Elk programma moest apart geladen worden via een floppy disk. Aan het einde van de jaren 80 kwamen de computers op de markt met een harde schijf van wel 20 Mb, 128 Kb RAM en met het operating systeem MS-DOS, dat enkel bestuurd kon worden met commando s, want ze hadden vaak nog geen muis. Ongeveer 30 jaar later zijn er harde schijven met meerdere Tb en is er RAM-geheugen van 129 GB op de markt. Het is bijna een standaard regel dat een computer binnen drie jaar al flink verouderd is. Mobiele telefonie. In de jaren zeventig ontstonden de zogeheten autotelefoon-netwerken. De Nederlandse PTT (die destijds het staatsmonopolie had op telecommunicatie) hanteerde voor dergelijke netwerken de afkorting ATF. ATF-1, dat in maart 1980 werd geïntroduceerd, was tamelijk omslachtig. Zo moest de gesprekspartner die de abonnee vanaf het vaste net opriep weten in welk van de drie oproepgebieden in Nederland de opgeroepene zich bevond. Omdat de capaciteit slechts toereikend was voor circa 2500 gebruikers zat het systeem na 3 jaar al vol. ATF-2 werd in 1985 geïntroduceerd en er konden abonnees op worden aangesloten. In 1989 zat ook dit systeem vol in Nederland vol. Sinds ongeveer 1993, met de start van het GSM-netwerk, is het aantal mensen met een mobiele telefoon zeer sterk gestegen. Tot begin jaren negentig was het gebruik beperkt tot zakenlieden, binnenvaartschippers en beroepschauffeurs. In 1996 kon je enkel maar bellen met een mobiele telefoon. De trilfunctie kwam er bij in 1998 en in 2003 was het gewoon dat er bluetooth, sms en een camera op een mobieltje zat. De smartphone zoals we die nu kennen is zo oud nog niet. De eerste kwam op de markt in 2007, maar tegenwoordig heeft bijna iedereen er wel één.

10 Toekomst? Nanolasers op silicium voor snellere CPU s 8 feb door Webwereld redactie Google+ Nieuws - Wetenschappers van de Universiteit van Californië hebben een manier gevonden om nanolasers direct op silicium te integreren. Dat zou uiteindelijk moeten leiden tot snellere processors. Wetenschappers van de Universiteit van Californië in Berkeley hebben een manier gevonden om nanolasers op silicium te kweken. Dat meldt de universiteitin een persbericht. De onderzoekers verwachten dat dit een doorbraak kan betekenen in de ontwikkeling van onder andere cpu s. Data versturen met licht Door data te versturen met behulp van licht is het namelijk mogelijk om processors nog sneller te maken. Met de huidige techniek zou de elektronische overdracht uiteindelijk de beperkende factor zijn. De wetenschappers zien optische verbindingen tussen computerchips maar ook binnen chips als oplossing voor dat knelpunt. Omdat silicium, het materiaal waar processors en andere chips van worden gemaakt, zeer slecht is in het genereren van licht, hebben de wetenschappers gekozen voor een ander soort materiaal. Zij gebruiken nu III-V halfgeleiders om lichtopwekkende componenten te creëren. Niet-passende puzzelstukjes Het gebruik van dat soort halfgeleiders leidt echter wel weer tot een ander probleem. Zo gaan de atomische structuren van III-V en silicium niet goed samen. III-V halfgeleiders integreren op silicium is als twee niet-passende puzzelstukjes in elkaar steken, stelt onderzoeker Roger Chen. Het kan, maar het materiaal raakt beschadigd als je het doet. Daarom gebruiken de wetenschappers nanotechnologische structuren die nanopilaren genoemd worden. De kern van deze nanopilaren is in dit geval van indiumgalliumarsenide (InGaAs). De buitenkant is gemaakt vangalliumarsenide. Hiermee is het mogelijk om een bijna infrarood laserlicht op kamertemperatuur te produceren.

11 Zelfde fabrieken als huidige chips Door de techniek van de Amerikanen is het mogelijk om de laserprocessors te maken in dezelfde fabrieken als waar nu chips worden geproduceerd. Daardoor heeft de techniek een goede kans om te overleven buiten het laboratorium. De productie van de chips gebeurt op zo n 400 graden Celsius. Dat lijkt hoog, maar bij eerdere experimenten lag dat op zo n 700 graden. Die laatste temperatuur zou de elektronica beschadigen. De techniek om de nanolasers op chips van silicium te kweken is compatible met de CMOS (complementary metal oxide semiconductor) techniek die momenteel wordt gebruikt om geïntegreerde schakelingen (of, meer courant: IC s) te maken. Behalve voor de rekenkracht van processors kan de doorbraak van de Amerikanen ook een revolutie betekenen op andere gebieden, zoals bijvoorbeeld biochemische sensoren. De wetenschappers willen de karakteristieken van de lasers nog verbeteren en ze uiteindelijk elektronisch kunnen besturen om zo een krachtig huwelijk tussen elektronische en opto-elektronische aparaten te bewerkstelligen.

12 IBM verkleint geheugenbit tot 12 atomen 17 jan door Loek Essers Nieuws - IBM heeft een geheugenbit gemaakt van 12 atomen. Door data op een extreem klein oppervlak op te slaan kan bijvoorbeeld de geheugencapaciteit van harde schijven worden verhoogd. Een grote stap, aangezien hedendaagse pc's ongeveer een miljoen atomen nodig heeft voor één bit. Door de atomen in rijen van zes onregelmatig naast elkaar te rangschikken heeft IBM een manier gevonden om de bit zo te isoleren dat andere bits niet worden gestoord door het magnetisme. Dichtheid van dataopslag De dichtheid van data-opslag wordt op deze manieer 100 keer dichter dan in huidige harde schijven, en 160 keer dichter dan solid state geheugen. "Een hele muziek- en filmcollectie kan passen in een hanger die om je nek hangt", legt IBM uit op zijn site. Wet van Moore IBM merkt op dat de wet van Moore, waarin gesteld wordt dat het aantal transistors in een chip elke 2 jaar verdubbelt, zijn fysieke grezen begint te naderen. De nieuwe technologie is een oplossing om de ontwikkeling van chips op dezelfde manier voort te zetten. "Om vooruitgang te blijven boeken waren er nieuwe methodes nodig om meer data, opslag en rekenkracht in kleinere ruimtes te pakken."

13 Hieronder gaat het gebeuren, de nieuwe computers van de toekomst. Het ziet er uit als een pen met een camera, maar is het niet. Het is ook geen pennenhouder.

14 En zo werkt het.