Bilgi çağının keskin bir başlama çizgisi yok. 19. yüzyılda telgraf ile hızlı bir iletişim ağı oluşturulmuş, ofislerde otomatik tablolama makineleri kullanılır olmuştu. Mühendislik, astronomi ve fizikte kullanılan hesaplama cihazlarının tarihi ortaçağa, hatta antik çağa kadar uzanır. Yine de yirminci yüzyılın önemli bir farkı var: Geçtiğimiz yüzyılda malzeme teknolojisi ve fizikteki keşifler sayesinde, daha önceki özel amaçlı analog ve mekanik cihazların yerini dijital ve elektronik cihazlar aldı. Bu şekilde genel amaçlı bilgi işleme makineleri büyük ölçekli olarak imâl edilebildi, ve bugünkü bilgi toplumuna yol açılmış oldu.
Bu yazı dizisinde, dijital elektronik bilgisayarların bugünkü haline gelmesini sağlayan bazı önemli kilometre taşlarını listeleyeceğiz.
1. Röle
Röleler, 19. yüzyılın ilk yarısında, uzaklıkla zayıflayan telgraf sinyallerini güçlendirme amacıyla icat edildi. Bir rölenin içindeki elektromıknatıs, terminallerine bağlı kablodan elektrik akımı geçerse manyetik alan üretir. Bu manyetik alan, yakına yerleştirilmiş bir metal kontağı oynatır ve başka bir devrenin kapanarak akım geçirmesini sağlar. Böylece mesafeyle zayıflayan elektrik sinyalleri röle ile yeniden üretilerek ileri doğru aktarılır.
Röleler özünde, uzaktan kumanda edilebilen birer açma-kapama düğmesidir. Birkaç röle uygun şekilde birleştirilerek mantık işlemleri (“ve”, “veya”, “değil”, vs.) yapan elektrik devreleri inşa edilebilir. Bu mantıksal işlem devrelerini kullananarak da 0 ve 1’lerden oluşan dizileri çeşitli şekilde manipüle eden, yani bilgi işleyen yeni devreler ve ayrıca bilgiyi saklamak için bellek devreleri oluşturulabilir. Sayıların 0’lar ve 1’ler ile nasıl kodlanacağı kararlaştırıldıktan sonra, bu sayılarla aritmetik işlemler yapan, iki sayıyı birbiriyle karşılaştıran devreler de yapılabilir.
Bu prensipten hareketle 1930’larda birkaç araştırmacı, birbirlerinden habersiz olarak, röle kullanan hesaplama makineleri yapmaya giriştiler. Bu projelerden birine Bell Laboratuvarları’nda çalışan matematikçi George Stibitz öncülük ediyordu. Stibitz, 1937 yılında rölelerle hesaplama makinesi kurma fikrini geliştirmiş, hatta çok basit prototipler hazırlamıştı. Fikrini Bell yöneticilerine aktardı, ancak fikri pek hevesle karşılanmadı: Röleli bir hesaplama makinesi, o zamana kadar kullanılan mekanik hesaplayıcılara göre çok daha büyük ve hantal olacaktı. Yine de bir prototip oluşturma fırsatı yakaladı. Ortaya çıkan Karmaşık Sayı Hesaplayıcı başarılı oldu ve on yıl boyunca daha ileri modellerle gitgide geliştirildi.
Harvard’lı fizikçi Howard Aiken, Stibitz’ten bir yıl kadar önce aynı düşünce ile yola çıkmıştı. Aiken’in projesini gerçekleştirmek için Harvard ve IBM arasında 1939’da bir anlaşma yapıldı, ama Harvard Mark I adı verilen cihazın çalışır hale gelmesi 1944’ü buldu. O sırada askere alınmış olan Aiken, donanma tarafından Mark I’i kullanarak hesaplamalar yapmakla görevlendirildi. Grace Hopper ve Richard Bloch gibi bilgisayar tarihine geçmiş isimler, programcılık kariyerlerine o dönemde başladılar. Sonraki yıllarda Aiken donanma ve hava kuvvetleri için daha gelişkin modeller üretti. Bu süreçte Harvard, bilgisayar mühendisliğinde öncü merkezlerden biri haline geldi.
Dehasına rağmen şartların elverişsizliğiyle önü kesilenler de vardı. Berlinli genç mühendis Konrad Zuse, röleli bilgisayar tasarımına kafa yormaya 1935’de başladı ve 1938’de ilk çalışan prototipini (Z1) tamamladı, böylece dünyadaki ilk röleli bilgisayarı geliştiren kişi olarak tarihe geçti. Zuse’nin tasarımları ABD’deki benzerlerine göre daha ileride, bugünkü prensiplere daha yakındı. Üçüncü model olan Z3 dünyanın ilk programlanabilir bilgisayarı ünvanını taşır. Aynı dönemde Zuse, ilk yüksek seviye (donanımın ayrıntılarına bağlı olmayan) programlama dili olan Plankalkül’ü geliştirdi. Sonraki model olan Z4’ün geliştirilmesi Almanya’nın savaşta yenilmesi ve Zuse’nin açlıkla mücadele ederek İsviçre’ye kaçmaya çalışması sebebiyle gecikmeye uğradı. Bu zorluklara rağmen Z4 modeli 1950’de ETH-Zürih’de işler hale getirildi. Sonraki yıllarda Zuse yeni tasarımlar üretmeye devam etti.
2. Elektron tüpleri
En sade halinde, bir elektron tüpü (triyot) basit bir araçtır: Havası boşaltılmış bir ampul içinde bir metal parçası ısıtılır, böylece bazı elektronlar metalden ayrılır. Tüpte ayrıca, ince tellerden oluşan küçük bir ızgara da bulunur. Bu ızgaraya uygulanan gerilim negatifse elektronlar katottan anoda doğru hızlanarak giderler. Gerilim pozitifse ızgara elektronları iter ve ilerlemelerini engeller.
Elektron tüpü 1906’da icat edildi, ve takip eden yıllarda radyo haberleşmesinde sinyal güçlendirici olarak yaygın şekilde kullanılmaya başlandı. Yaşı yetenler hatırlar: 1970’lere kadar radyolar kocamandı ve içlerinde “lamba” tabir edilen elektron tüpleri vardı. Tüpler de röleler gibi, uzaktan kumanda edilen açma-kapama anahtarı olarak kullanılabilirdi ve mantık devreleri içeren bilgisayarları inşa etmek için kullanılabilirlerdi.
Aiken ve Stibitz gibi 1930’ların bilgisayar öncüleri elektron tüplerinden habersiz değillerdi, ama o dönemde röleler tüplere göre daha kolay bulunuyordu, daha ucuzdu, ve oturmuş bir teknolojiye sahipti. Üstelik tüpler fazla ısınıyorlardı. Bir bilgisayarda onbinlerce tüp kullanılması gerektiğinden, bulunduğu mekânın soğutulması ciddi bir problemdi. Tüplerin arızalanmaya yatkın olması da hesabın sık sık bölünmesi riskini doğuruyordu.
Bu dezavantajlara rağmen elektronik tasarımın çekiciliği büyüktü. 1937’nin sonunda, Iowa State Üniversitesi’nde çalışan fizikçi John Atanasoff tüplerle çalışan ve ikili sayı sistemine dayalı bir elektronik hesaplama makinesi tasarladı. Parlak zekâlı bir elektrik mühendisi olan Clifford Berry’yi asistan olarak işe aldı ve 1940 yılı başında fizik binasının bodrumunda makineyi inşaya başladılar. Atanasoff-Berry Computer (ABC) olarak bilinen cihaz 1941 sonunda bitirildi. ABC’nin hesaplama kısmı mükemmel çalışıyordu, fakat delikli kartları okuyan ve yazan kısım on bin seferde bir hata yapıyordu, bu da büyük ölçekli hesaplamalarda cihazı güvenilmez kılıyordu. Bu arada ABD 2. Dünya Savaşı’na girdi, Atanasoff ve Berry ABC’nin bu eksiğini giderme fırsatı bulamadan askere alındılar. Atanasoff savaştan sonra 1948’de üniversiteyi ziyaret ettiğinde, ABC’nin kendisine haber verilmeden sökülüp atılmış olduğunu gördü.
Atanasoff ABC üzerinde çalışırken onu ziyaret edenlerden biri, Pennsylvania Üniversitesi’nde çalışan fizikçi John Mauchly idi. Mauchly 1942’de elektron tüpleri ile hesaplama yapmaya dair bir teklif yazmıştı, ama üniversite yönetiminin ilgisini çekememişti. Ancak, Balistik Araştırma Laboratuvarı’nın başındaki matematik doktoralı genç teğmen Herman Goldstine bu projeden haberdar oldu. Laboratuvar, top güllelerinin menzillerini veren tablolar oluşturmakla görevliydi. Yeni toplar imâl edildikçe, bu tabloların hemen hazırlanması ve savaş meydanına gönderilebilmesi gerekiyordu. Bu tablolar fırlatma açısı, hava direnci, rüzgâr yönü, vs. gibi birçok karmaşık faktör içeren zor hesaplamalar gerektiriyordu ve elle yapılan işlemler ihtiyacı karşılamayacak kadar yavaş ilerliyordu. Hızlı ve otomatik hesaplamaya ihtiyaç duyan Goldstine Mauchly’ye ihtiyaç duyduğu kaynakları vermeyi teklif etti.
Mauchly, olağanüstü yetenekli bir elektrik mühendisi olan Presper Eckert ile beraber ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) adını verdikleri bilgisayarı inşa etmeye başladı. Eckert, tüplerin ömrünü uzatmak için birçok yöntem icat etti ve güvenilir bir tasarım oluşturmayı başardı. ENIAC’ın tamamlanması 1946’yı buldu, o yüzden savaşta çok işe yaramadı, fakat sonraki bilgisayar teknolojisini oluşturan bir okul olarak tarihteki yeri çok önemlidir.
Mauchly ve Eckert, ENIAC’daki tecrübelerine dayanarak, iş dünyasının bilgi işlem ihtiyaçlarına yönelik hizmet verecek bir şirket kurdular ve ilk ticari bilgisayar olan UNIVAC’ı ürettiler. İkili, iş idaresinde çok başarılı olamadı ve 1950’de şirketlerini Remington Rand’e devrettiler. Ancak UNIVAC bilgisayarı çok popüler oldu ve “elektronik beyin” imajının popüler kültüre girmesini sağladı. UNIVAC’ın başarısı, o zamana kadar mekanik ofis ekipmanları üreten IBM’in de bilgisayar işine girmesine vesile oldu.
3. Yazılım ve donanımın ayrılması
Elektron tüpleri ile işlem yapan ENIAC gerçekten hızlıydı. O kadar hızlıydı ki, bilgisayarın çalışmasındaki darboğaz tamamen başka bir yerde ortaya çıktı: Programın hazırlanmasında.
ENIAC’ı bir matematiksel problemin çözümüne hazırlamak, yer yer yoğun fiziksel çaba gerektiren zor bir işti. Sayıların ve belleğin kağıt üzerindeki tasarımının ardından, yüzlerce anahtarın konumunun ayarlanması, yüzlerce kablonun bağlantılarının değiştirilmesi gerekiyordu. ENIAC’ı programlamak, bilgisayarın devre bağlantılarını ve iç yapısını değiştirmek demek oluyordu. Bu işlem haftalarca sürebiliyordu. Hazırlıklar bitince ENIAC gerekli tabloları yarım saatte üretiyor, ardından yeni bir problem için aynı maraton tekrar başlıyordu.
Mauchly ve çalışma arkadaşları bu sorunun farkındaydılar ve sonraki tasarımlarda çözülmesi gerektiğini biliyorlardı. ENIAC takımını ziyaret eden ve başka bilgisayar projelerini de yakından takip eden ünlü matematikçi John von Neumann, yazdığı bir makalede “yüklenen program mimarisi” veya “von Neumann mimarisi” adı verilen bir fikir yayınladı. Bu fikre göre, bilgisayarın yapacağı işlemlerin talimatları önceden belirlenmiş ikili kodlamalarla ana bellekte saklanmalı ve bilgisayar bu talimatları sırayla işlemelidir.
Bu yaklaşım, talimatları kodlamak ve kodu çözmek için yeni devreler gerektirdiği için bilgisayar tasarımını biraz karmaşıklaştırıyor da olsa, sağladığı müthiş esneklik sayesinde hızla kabul gördü. Yüklenen program mimarisi ile kendi kendini değiştiren programlar yazılabilir, başka programları işleyen programlar oluşturulabilirdi. Genel amaçlı olacak şekilde tasarlanan bilgisayar donanımı, uygun programların yüklenmesiyle farklı işler yapmaya yönlendirilebilirdi. Yüklenen program mimarisi sayesinde Fortran, Java gibi yüksek seviye programlama dillerini, ve Linux, Windows gibi işletim sistemlerini yaratmak mümkün oldu. Programcılar bilgisayarın elektroniğine bulaşmadan yazılım geliştirebilir oldular, böylece bilgisayar kullanımı gitgide kolaylaşarak yaygınlaştı.
4. Transistör
Elektron tüplerinin rölelere göre avantajları tartışılmaz; fakat onların da kendilerine göre sorunları vardı. Her biri başparmak büyüklüğünde binlerce tüp barındıran bir bilgisayar çok büyük ebatlarda olmak zorundaydı. Bu tüplerin yaydığı ısıyı dağıtmak bir dert, bozulanları değiştirmek ayrı bir dertti. Elbette taşınabilirlik diye birşey sözkonusu değildi.
Katı hal fiziğindeki gelişmeler bu soruna çözüm bulmakta gecikmedi. Yarı iletken denen bazı malzemelere (sözgelişi, silisyum ve germanyum elementleri) uygun miktarda yabancı atomun eklenmesi ile farklı iletkenliklerde kristaller ortaya çıkarılabildiği keşfedildi. 1947 sonunda Bell Laboratuvarları’nda çalışan deneysel fizikçiler John Bardeen ve Walter Brattain, yarı iletkenleri birleştirerek bir sinyalin güçlendirilebileceğini, veya açılıp kapatılabileceğini keşfettiler. Bu icat elektron tüplerinin yerine kullanılabilirdi; üstelik çok daha az güç kullanacak, ısınma derdi olmayacak, devreler çok daha küçük ve hafif olabilecek, bozulma ve kırılma riski çok azalacaktı. Bardeen, Brattain ve laboratuar yöneticisi William Shockley, transistör adı verilen bu icatları için 1956 Nobel Fizik Ödülü’ne hak kazandılar.
5. Entegre devre ve mikroişlemci
Transistörler bilgisayarların epeyce küçülmesini sağladıysa da, bu küçülmenin bir sınırı vardı. Elektronik devrelere transistörlerin tek tek elle lehimlenmesi gerekiyordu. Bu da hem üretimi yavaşlatıyordu, hem de insan elinin giremeyeceği küçük ölçeklerde çalışmayı engelliyordu.
Katı hal fiziği, özellikle de yarıiletkenler, 1950’lerden itibaren müthiş imkânlara kapı açmaya başlamıştı. 1958’de Texas Instruments’da çalışan Jack Kilby, yekpare bir yarıiletken üzerinde bir entegre devre inşa edilebileceğini düşündü. Sinüs dalgası üreten bir yarıiletken devre üretti ve fikrinin gerçekleşebileceğini gösterdi. Fairchild Semiconductors şirketinden Robert Noyce da bağımsız olarak aynı icadı geliştirdi, ama kısa bir zaman farkıyla patenti kaçırdı. Kilby ve Noyce beraberce entegre devrelerin mucidi olarak anılırlar. Kilby, öncülüğü sebebiyle 2000 Nobel Fizik Ödülü’nü aldı.
1960’larda entegre devre üretimi yaygınlaştı. ABD’de elektronik şirketlerinin toplandığı bölge Silikon Vadisi olarak benimsendi. Noyce Fairchild’dan ayrılıp Intel isimli bir şirket kurmuştu. Stanford’dan elektrik mühendisliği doktorasına sahip Intel çalışanı Ted Hoff, entegre devre fikrini iyice ileri götürdü: Bir mikroçipin üzerine tam bir bilgisayar sığdırılabileceğini savundu. Bu vizyonu takip ederek, 1971’de Intel 4004 mikroişlemcisinin geliştirilmesini sağladı. Bu öncü mikroişlemciyi birçok başka model takip etti.
Takip eden yıllarda üretim teknikleri gitgide geliştirildi, çok daha küçük yarıiletken yapılar imal etmek mümkün oldu ve birim alana daha da fazla sayıda transistör sığdırılabildi. Daha çok sayıda transistör bulunması, genel olarak işlemcinin yeteneklerinin daha fazla olması demektir. Böylece cep telefonlarımızda bile olağanüstü güçlü bilgisayarlar taşımamız mümkün hale geldi. Intel 4004 çipinde 2300 transistör varken, 2014 yılında piyasaya çıkacak olan Xbox One oyun konsolunun işlemcisi yaklaşık beş milyar transistör barındırıyor.
Intel’in kurucularından Gordon Moore, 1965’de yayınladığı bir makalede entegre devrelerdeki transistör sayısının her iki yılda iki katına çıktığını yazmıştı. Yani, çiplerdeki transistör sayısı zamanla üstel (veya, geometrik) olarak artmaktadır. Bugün bu gözlem Moore yasası olarak bilinir. Elbette bir doğa yasası veya teorem değil, sadece yaklaşık bir ifade, ama değişen teknolojiye rağmen elli senedir doğru kalması şaşırtıcı (veya belki de, bir numaralı mikroişlemci üreticisi olan Intel, çiplerini özellikle bu yasaya uyacak şekilde piyasaya sürüyordur (!)).
Gelecek ay devam edeceğiz.
Kaynaklar
- Michael R. Williams, A History of Computing Technology. IEEE Computer Society Press, 1997.
- History of Computers: Hardware, Software, Internet,… http://history-computer.com/index.html
- John Vincent Atanasoff and the Birth of Electronic Digital Computing. Iowa State University. http://jva.cs.iastate.edu/index.php
Güzel bir yazı. Devamını bekliyorum :)
güzell :)