HTML · Slides · PDF | Přehled předmětu

Cíle

  • Seznámíme se se základními technickými principy, jak jsou počítače od počátku až po současnost konstruované.

  • Poznáme generace počítačů až po současnosti a vyhlídku do budoucnosti.

Klíčová informace

Každý (digitální) počítač je postaven na určitém typu základního spínacího elementu; dnes jsou to polovodičové prvky, většinou tranzistory MOSFET.

Počítač

  • Zde se věnujeme digitálním počítačům, což jsou všechny dnes běžné stroje: od velkých pro superpočítání až po mobilní telefony.

  • Termín digitální počítač používáme pro zařízení, které provádí sekvenci výpočetních kroků nad datovými položkami s diskrétními hodnotami.

  • Alternativou je analogový počítač, který pracuje s hodnotami, jež se v čase plynule mění.

comp system

Digitální počítače

  • Digitální výpočty mají výhodu v přesnosti.

  • Protože se digitální počítače staly levnými a vysoce spolehlivými, analogové výpočty byly omezeny jen na několik speciálních případů.

  • Dobudoucna se musí počítat s nástupem počítačů kvantových, což bude opět jiný fyzikální princip.

Historie počítačů

  • Počítač je stroj na automatické zpracování dat podle předem připraveného programu.

  • Období vzniku: 30. léta 20. století (Konrad Zuse, Německo)

  • Další vývoj: USA 40. léta 20. století, významný vliv matematika Johna von Neumanna – mnohé jeho principy platné dodnes

Letem světem historií počítačů:

Technický princip

  • Každý (digitální) počítač je postaven na určitém typu základního spínacího elementu.

  • Historicky se jednalo o:

    • Elektromagnetická relé

    • Elektronky

    • Tranzistory

    • Integrované obvody ("čipy", obsahují tranzistory, diody, rezistory…​)

Generace počítačů podle spínacího prvku

Nultá generace (30. léta – 40. léta)

Hlavní prvek: Relé
První generace (40. léta – 50. léta)

Hlavní prvek: Elektronky
Druhá generace (50. léta – 60. léta)

Hlavní prvek: Tranzistory (BJT)
Třetí generace (60. léta – 70. léta)

Hlavní prvek: Integrované obvody (IC)
Čtvrtá generace (70. léta – současnost)

Hlavní prvek: Mikroprocesory (VLSI – MOSFET)

Vývoj: Relé → Elektronka → Tranzistor → Integrovaný obvod / Mikroprocesor

0. generace (30. léta – 40. léta)

  • Hlavní prvek: Relé

  • První programovatelné stroje

  • Nízká rychlost, vysoká poruchovost, experimentální charakter

Reléový počítač Z3

  • Z3 byl první funkční programovatelný počítací stroj.

  • 2600 relé, z toho 2000 relé pro paměť a 600 relé pro aritmetickou jednotku

  • V paměti mohlo být 64 slov dlouhých 22 bitů.

  • Frekvenci hodinového signálu měl 5,3 Hz a délku slova 22 bitů

  • Rychlost sčítání 0,8 s a rychlost násobení 3 s

  • Jeho spotřeba byla 4000 wattů a vážil 1000 kg.

  • Výpočty počítač prováděl v binární soustavě a pracoval s čísly s plovoucí desetinnou čárkou.

  • Z3 četl programy z děrovaného filmu.

  • Byl používán k výpočtu vibrací křídel v DVL (německy Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt).

  • Zničen při náletu na Berlín v roce 1943.

Reléový počítač Z3 (2)

Reléové počítače?

Jako hobby projekty dodnes…​ nebo právě dnes!

1. generace (40. léta – 50. léta)

  • Hlavní prvek: Elektronky

  • Příklady: ENIAC, UNIVAC

  • Velké, energeticky náročné, časté poruchy

Elektronka (vacuum tube)

  • Baňka (obvykle skleněná, evt. kovová), z níž je vyčerpaný vzduch.

  • Vakuum umožní, že ze záporné elektrody (=katody) zahřáté pomocí wolframového vlákna (jako v klasické žárovce) se emitují elektrony.

  • Elektrony dopadají na kladně nabitou anodu a elektronkou teče proud.

  • S tímto principem pracuje vakuová dioda, používaná jako usměrňovač → elektrony tečou jen od katody k anodě, ne naopak.

Why The First Computers Were Made Out Of Light Bulbs

Řízení proudu v elektronce

  • Intenzita proudu může být řízena dodatečnými elektrodami — mřížkami

  • Záporně nabitá mřížka elektrony odpuzuje a tedy brzdí.

  • Elektronka může sloužit jako:

usměrňovač

dioda — není třeba mřížka; elektrony tečou vakuem mezi katodou a anodou samy

zesilovač

malá změna mřížkového napětí způsobí změnu anodového proudu (obvykle trioda, pentoda)

spínač

záporné mřížkové napětí zastaví anodový proud

What do vacuum tubes (valves) do?

2. generace (50. léta – 60. léta)

  • Hlavní prvek: polovodiče, konkrétně Tranzistory (BJT)

  • Menší, spolehlivější, nižší spotřeba

  • Vznik prvních komerčních počítačů

Polovodiče

  • Základem těchto počítačů (ale i dnešních) jsou elektronické prvky založené na schopnosti určitých látek vést proud jen za jistých okolností (jen jedním směrem, za přítomnosti elektrického pole, světla…​)

  • Takovým látkám říkáme polovodiče.

  • Polovodičové spínací prvky (zejména tranzistory různých provedení) jsou fundamentem současné elektroniky a počítačové techniky: od rádií přes senzory, paměti až k výkonným CPU.

Vodivost různých látek

Kovy

Proud vedou volné elektrony.

Izolanty

Proud téměř nevedou kvůli nedostatku volných elektronů.

Polovodiče

  • Vedení proudu závisí na obohacení (dopingu) a vnějších podmínkách, jako je teplota, osvětlení či elektrické pole, které mění počet volných nosičů.

  • Mohou se tak chovat buď jako vodiče, nebo jako izolanty.

Historie polovodičových prvků

Dioda (1920s–1930s)

  • první polovodičové součástky (usměrňovače)

  • umožnila nahradit elektronky (tedy vakuové diody) zejména v usměrňovačích v napájecích zdrojích

Bipolární tranzistor – BJT (1947)

  • objev na Bell Labs (Brattain, Bardeen, Shockley)

  • revoluce v zesílení signálů a spínání

  • základ pro první integrované obvody

MOSFET (1960s)

  • Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor

  • velmi nízká spotřeba, snadná miniaturizace

  • umožnil vznik mikroprocesorů a dnešní digitální elektroniky

➡ Vývoj: od jednoduché diodové funkce, přes univerzální zesílení BJT, až k masové integraci díky MOSFETům.

Bipolární (BJT) tranzistory

  • Bipolární tranzistor (Bipolar Junction Transistor)

  • Prvek se třemi elektrodami (vývody):

  • emitor (= zdroj nosičů náboje)

  • báze (řidící elektroda - proud mezi bází a emitorem řídí mnohem vyšší proud mezi E a C)

  • kolektor (sběrač nosičů náboje)

  • Vyrábí se v polaritách NPN a PNP dle vodivosti jednotlivých elektrod.

BJT NPN symbol
BJT PNP symbol

Technické provedení BJT

NPN BJT (Planar) Cross section

Tranzistor NPN v otevřeném (vodivém) stavu

NPN BJT Basic Operation (Active)

MOSFET

  • MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors)

  • Proud v kanálu je veden jen jedním typem nosičů (elektrony v N-kanálových, díry v P-kanálových).

  • Mají velmi vysoký vstupní odpor (prakticky žádný vstupní proud přes G).

  • Rychlé spínání a nízké ztráty.

  • Skvělé pro digitální obvody, spínané zdroje, procesory, paměti.

  • MOSFET Transistor Basics & Working Principle

MOSFET funkčně

MOSFET functioning

Typické tranzistorové počítače (2. generace)

  • 50. léta – 60. léta

  • Tranzistory (BJT) místo elektronek

  • menší rozměry

  • nižší spotřeba

  • vyšší spolehlivost

Typické příklady:

  • IBM 1401 (1959) – komerční úspěch, využití v byznysu

  • IBM 7090 – vědecké výpočty, nástupce IBM 709 (elektronkový)

  • CDC 1604 (Control Data Corporation) – jeden z prvních tranzistorových superpočítačů

Význam 2. generace

  • otevřely cestu k širšímu nasazení počítačů

  • začátek éry komerčního využití výpočetní techniky

  • tj. mimo military/government

3. generace (60. léta – 70. léta)

  • Hlavní prvek: Integrované obvody (Integrated Circuits)

  • Růst výkonu, miniaturizace, více tranzistorů na čipu

  • Masová výroba a rozšíření počítačů

V té době postupně vznikala známá řada kombinačních a sekvenčních logických obvodů 74xxx. Dnes se v nových konstrukcích nepoužívají tak masově, ale i tak jsou důležité jako reference.

Typické počítače 3. generace

Výhody:

  • další miniaturizace a zlevnění

  • vyšší spolehlivost oproti tranzistorům

  • možnost multitaskingu a vyšších programovacích jazyků

Typické příklady:

  • IBM System/360 (1964) – univerzální architektura, kompatibilita napříč modely

  • DEC PDP-8 a PDP-11 – minipočítače, dostupné menším firmám a univerzitám

  • Honeywell 6000 Series – konkurenční řada k IBM, používaná v průmyslu

Význam 3. generace

  • rozšíření počítačů do univerzit a firem

  • standardizace architektur (System/360 ovlivnil další generace)

  • příprava půdy pro vznik osobních počítačů

4. generace (70. léta – současnost)

  • Hlavní prvek: Mikroprocesory (VLSI – MOSFET)

  • Milióny až miliardy tranzistorů na čipu

  • Osobní počítače, mobilní zařízení, internet

Typické počítače 4. generace

Výhody:

  • integrace milionů až miliard tranzistorů na jediný čip

  • masová výroba → nízká cena a dostupnost

  • vysoký výkon, malá spotřeba a mobilita

Typické příklady:

  • Intel 4004 (1971) – první komerční mikroprocesor

  • IBM PC (1981) – začátek éry osobních počítačů

  • Apple Macintosh (1984) – grafické rozhraní pro běžné uživatele

  • moderní procesory (Intel Core, AMD Ryzen, ARM, Apple Silicon)

Význam 4. generace

  • rozšíření všude do komerce, veřejné správy i domů (i do kapsy)

  • použití na práci i zábavu (první hry)

  • v 70.-80. letech éra 8bitových mikropočítačů

  • legendy: Commodore C64, ZX Spectrum, Atari 800XL, …​

  • anebo Apple Macintosh

Současnost a budoucnost

  • počítače pro širokou veřejnost (PC, notebooky, smartphony)

  • základy digitální společnosti a internetu

  • vývoj směrem k paralelismu, GPU a specializovaným čipům (AI, ML)

  • úplně nové technologie (kvantové)

Na další kapitolu: Teorie architektur počítačů

HTML · Slides · PDF | Přehled předmětu