1.4.5 Generacije računalnikov

    Človek si je že od nekdaj skušal z najrazličnejšimi pomagali olajšati fizično in miselno delo. Zelo zgodaj se je srečal s problemi štetja in računanja. Med prvimi pomembnimi pripomočki je bil abak, nato računala, ki so bila vezana na izum kolesa, pa mehanski računski stroji, katerih pomemben del je bilo zobato kolo, itd. (slika 41). Kot smo že omenili, je prvo pomembno mehansko napravo, ki je bila po svojih načelnih lastnostih zelo podobna računalniku, začel graditi angleški matematik Charles Babbage. Žal njegova sicer genialna zamisel ni dala ustreznih rezultatov, ker imajo mehanske naprave (zobata kolesa, vzvodi, idr.) mnoge slabosti. Ob uvajanju splošne elektrifikacije pa so se začeli razvijati električni računski stroji, ki so bili sprva še vedno mehanske naprave (kup zobnikov, vzvodov in drugih mehanskih elementov je poganjal električni motor). Šele razvoj elektronike je računalnikom odprl novo, za njihov poznejši razvoj zelo pomembno obdobje. Seveda so se prvi elektronski računalniki precej razlikovali od današnjih, saj je tehnologija s tega področja zelo napredovala.

Glede na tehnologijo oziroma izvedbo osnovnih sestavnih delov lahko sestavimo "rodovnik", to je generacijsko strukturo razvoja računalnikov. Podrobnejša razlaga posameznih računalniških naprav in njih izumiteljev je že bila podana v predhodnih poglavjih, v nadaljevanju želimo le oblikovati in združiti posamezna obdobja in naprave v generacijsko strukturo.

Živimo v dobi razvoja 5. in delno že 6. generacije računalnikov, čeprav večina uporabnikov računalniške tehnologije najpogosteje uporablja še vedno mikroračunalnike 4. generacije.

    Računalniki, katerih osnovni sestavni deli so bili releji in elektronke (slika 42), sodijo v 1. generacijo (1940 - 1956). Releji in elektronke so kar velike naprave, zato so bili prvi računalniki velikanski stroji, ki so potrebovali veliko prostora (zasedali so kar celo sobo) in zahtevno ter zamudno vzdrževanje. Programiranje in vnašanje podatkov pri elektronskih računalnikih prve generacije je potekalo ročno, prek stikal (strojni jezik), zato je bilo delo z njim zamudno, dolgočasno in nezanesljivo. Računalniki te generacije niso mogli opravljati več operaciji hkrati, saj je bil računalnik zmožen le ene, ki so jo vnašali s pomočjo luknjanih kartic.

    Problemov I. generacije računalnikov je bilo kar veliko. Pomanjkljivost elektronk npr. je bila v tem, da so bile zelo nezanesljive, ker so hitro pregorevale;  velik problem je bilo tudi odvajanje odvečne toplote, ki so jo proizvajale elektronke. Manjkalo je tudi strokovnjakov za programiranje, saj je bilo to delo zelo težko, ker se je programiralo direktno v strojnem jeziku. Mehanske dimenzije računalnikov tistega časa so bile zelo velike. Tako je računalnik z 18.000 elektronkami potreboval napajalno moč 150 kW, dolg je bil 30 metrov in visok 2.5m (ENIAC). Veliko teh problemov je rešila 2. generacija računalnikov, v katero spadajo računalniki iz polprevodniških elementov - tranzistorjev (slika 43) (1956 - 1963). Ta tehnološki korak je bil zelo pomemben, saj tranzistor popravlja skoraj vse pomanjkljivosti elektronke: je majhen, mehansko manj občutljiv, se ne greje, porabi manj energije itd.  Tranzistorji so pripomogli tudi k boljši zmogljivosti računalnikov ter povečanju zanesljivosti, obenem pa tudi padcu cene. Najpomembnejša prednost pa je bila njihova hitrost v delovanju, saj se je s tem omogočila tudi večja procesna moč računalnikov. Glavni pomnilnik je bil zgrajen iz feritnih jeder. Ta so tvorila matriko, katera je v odvisnosti od magnetnega naboja predstavljala logično vrednost 0 ali 1. S temi računalniki so se tako lahko hitreje izvajali večji in bolj zapleteni programi.

    V 3. generacijo sodijo računalniki iz integriranih vezij (slika 44) - čipov (1963 - 1971). Osnove njihovega delovanja so enake kot pri tranzistorjih, le da tranzistorji in drugi elementi (npr. diode, upori, kondenzatorji itd.) niso več ločene naprave, ki jih moramo povezovati z električnimi vodniki (žice, tiskana vezja), temveč so že neločljivo povezani na približno 1 cm² in še manjši polprevodniški ploščici, imenovani čip. V enem takem čipu je lahko sto tisoč , več milijonov in še več polprevodniških elementov. Ta integracija oz. združevanje elementov občutno zmanjšuje velikost računalnikov, povečuje njihovo hitrost in učinkovitost, serijska izdelava elementov pa njihovo ceno.

V programiranju je prišlo do pomembnejših sprememb; programi so se vnašali s pomočjo tipkovnice in monitorja. Pojavili so se prvi operacijski sistemi, ki so omogočali večopravilnost hkrati pa so računalniki te generacije prvič postali bolj prepoznavni, pa tudi dostopni posamezniku, saj so bili manjši, cenejši in razumljivejši kakor pa njihovi predniki.

     V 4. generacijo štejemo računalnike ( ~ 1971 - ), katerih osnova so integrirana vezja visoke gostote (slika 45), ki v majhnem prostoru združujejo cele enote računalnika; govorimo o mikroprocesorju, kot integriranem vezju, ki v svoji notranjosti združuje vso interno logiko računalnika. Računalniki te dobe (mikroračunalniki) so še manjši in cenejši, povečala pa se jim je hitrost in zanesljivost delovanja. Njihova struktura in zmogljivost je omogočala tudi njihovo medsebojno povezovanje, kar je vodilo v razvoj ne samo lokalnih, temveč tudi globalnih omrežij (Internet).

Poleg razvoja strojne opreme (računalnikov) je v tem obdobju zelo velik napredek tudi na področju programske opreme. Programi so vedno bolj kompleksni. Da bi dosegli bolj enostavnejšo in učinkovitejšo uporabo so se pojavile tudi standardizirane in specializirane programske rešitve.

    Za naše razmere predstavlja novost še vedno 5. generacija računalnikov iz integriranih vezij zelo visoke gostote ( ~ 1982 - ), to je tistih, katerih osnovna naloga ni več samo računanje, delo s števili, temveč logično sklepanje, delo z bankami znanja in podatkov itd. Tak računalnik naj bi s svojim uporabnikom znal komunicirati v naravnem govorjenem jeziku, imel bo shranjene ogromne podatkovne baze znanja, po katerih bo znal tudi hitro iskati, znal bo inteligentno sklepati, obdelovati slike in »videti« predmete tako, kot jih vidijo ljudje itd. Pomembna novost te generacije je razvoj vzporednih računalnikov, pri katerih rešuje skupno nalogo oz. problem hkrati več procesorjev.

Cilj računalnikov pete generacije je torej, da lahko človek komunicira s strojem v naravnem jeziku. To pa pomeni da bodo morali biti v prihodnje računalniki pete generacije bolj inteligentni, kar pa ne pomeni da morajo biti le hitrejši in bolj zanesljivi pri računanju in pomnjenju od človeka, temveč se morajo podobno kot človek znajti v nepredvidljivih situacijah (umetna inteligenca). Peta generacija računalnikov naj bi se učila na lastnih napakah, uporabljala znanje, sposobna naj bi bila tudi razpoznavati glasovnih in vidnih komunikacij, govora, avtomatskega prevajanja govora iz enega naravnega v drugi naravni jezik, inteligentnega iskanja podatkov itd.

     Na razvojnem obzorju se pojavljata že novi generaciji, 6. in 7. generacija; značilnost prve so t.i. bioračunalniki katerih osnova so nevronski - bio čipi in na njihovi osnovi zgrajene nevronske mreže (slika 46), značilnost druge pa kvantni računalniki (slika 47), katerih osnova so nanotehnologije, DNK in Q-bit . Za razliko od digitalnih računalnikov, kjer bitni tranzistorji preklapljajo zgolj med dvema vrednostma 0 in 1, so informacije v kvantnih računalnikih zapisane v kvantnih bitih oziroma kubitih (Q-bit). Ti zavoljo nenavadnih zakonov kvantne fizike, ki so prestrašili celo Alberta Einsteina, premorejo še superpozicijo. Bit operira zgolj z eno vrednostjo, kubit pa vzporedno operira z dvema, dva kubita s štirimi, trije z osmimi in tako dalje. Laboratorijske izvedbe takega računalnika  že delujejo (npr. Intelov 17 Q-bitni računalnik, Googlov 20 in celo 49 Q-bitni računalnik itd.), kljub tem uspehom pa bo pot do delujočega, stabilnega in velikega kvantnega računalnika, ki bi pripomogel k napredku v znanosti, medicini in drugih vedah, še dolga in težavna. Kvantni sistemi so namreč zelo krhki, za pravilno delovanje q-bitov zahtevajo zelo hladno okolje, kjer je temperatura blizu absolutne ničle. Ti nepredstavljivi pogoji prinašajo ključni izziv, ki ga bo za razvoj kvantne tehnologije treba premagati.

Poglejmo še problem s področja bioračunalništva, in sicer problematiko in prve rešitve t.i. celičnega računalnika. Računalniki sedanjega časa, lahko opravljajo zahtevne naloge, od računanja do obdelovanja teksta in krmiljenja naprav. Ta opravila računalniki izvajajo na osnovi enostavnih logičnih operacij računalniških procesorjev, v katerih je veliko število logičnih vrat istega tipa. Celice živih organizmov prav tako vsak trenutek na analogni način obdelujejo številne signale iz okolice in jih pretvarjajo v ustrezen odziv. Če želimo celice spreminjati za različne namene, na primer za medicinsko terapijo ali za senzorje, ki bodo spremljali zdravstveno stanje v telesu, potem moramo biti sposobni v celicah izvajati logične operacije, ki so neodvisne od obstoječih celičnih procesov. Dodatna težava v primerjavi z elektronskimi računalniki je, da v celicah informacije ne moremo posredovati po žicah kot v elektronskih vezjih, ampak preko bioloških molekul, ki uravnavajo prepisovanje dednega zapisa v celici. Zato se že uporabljajo naravni in sintetični proteini kot logična vezja v človeških celicah, ki obdelujejo vhodne signale na osnovi podobne logike kot elektronski računalniki ter prepoznajo skoraj katerokoli izbrano zaporedje DNK. Ta iznajdba že omogoča bolj natančno kontrolo delovanja in odziva celic na različne signale, kar bo gotovo zelo uporabno predvsem za medicinske in diagnostične namene.