Bilgisayar donanımı tarihi

Bilgisayar donanımı tarihi, hesaplama işini yapan fiziksel araçların mekanik düzeneklerden yarı iletken yongalara uzanan gelişimini konu alır. Kapsamına işlem birimleri, bellek, depolama ve bunları birbirine bağlayan yapılar girer. Bu araçlar üzerinde çalışan programların geçmişi yazılım tarihinin, alanın bütününü kapsayan anlatım ise bilişim tarihinin konusudur.

Donanımın geçmişi çoğu zaman kullanılan anahtarlama öğesine göre bölümlenir: mekanik dişli, elektromekanik röle, vakum tüpü, transistör ve tümleşik devre. Her geçiş makineleri küçültmüş, hızlandırmış, ucuzlatmış ve daha güvenilir kılmıştır. Bilgisayar kuşakları diye anılan bölümleme de bu kırılmalara dayanır.

Mekanik hesap makineleri

Sayma araçlarının en eskilerinden olan abaküs, sayıları boncukların konumuyla gösterir ve toplamayı elle yapılan bir yordama indirger. Hesabı kolaylaştıran bu araçlar bir işlemi kendiliğinden yürütmez; makineye iş yaptırma düşüncesi 17. yüzyılda dişli çarklı hesap makineleriyle başladı.

Wilhelm Schickard 1623'te dişlilerle toplama ve çıkarma yapan bir düzenek tasarladı, ancak makine yangında yok oldu. Blaise Pascal 1642'de yaptığı Pascaline ile toplama ve çıkarmayı güvenilir biçimde yürüten, elde aktarımını dişli düzeneğiyle çözen ilk makineyi üretti. Gottfried Wilhelm Leibniz 1673'te basamaklı silindir adı verilen bir düzenekle çarpma ve bölmeyi de ekledi. Bu makineler tek tek işlemleri hızlandırıyor, işlemlerin sırasını insandan almayı sürdürüyordu.

Ticari başarıya ulaşan ilk hesap makinesi, Charles Xavier Thomas'ın 1820'de patentini aldığı aritmometredir. Makine seri üretime girdi ve yaklaşık kırk yıl boyunca alanında tek başına kaldı; büro işlerinde mekanik hesabın yerleşmesi bu araçla başladı.

Sırayı da makineye devretme düşüncesi Charles Babbage ile geldi. Babbage 1822'de, çizelge hesaplarını sonlu farklar yöntemiyle kendiliğinden yürüten fark makinesini önerdi; makinenin çalışan bir bölümü 1832'de tamamlandı, tamamı hiçbir zaman yapılmadı. 1837'den sonra geliştirdiği analitik makine tasarımı ise delikli kartla programlanıyor, koşullu dallanma ve döngü içeriyor, işlem birimiyle belleği birbirinden ayırıyordu. Dönemin üretim olanaklarıyla yapılamayan bu tasarım, genel amaçlı bir bilgisayarın bilinen ilk tanımıdır. Ada Lovelace 1843'te makine üzerine yazdığı notlarda, sayıya indirgenebilen her simgeyle işlem yapılabileceğini belirtti.

Tasarımın gerçekten çalışabilir olduğu çok sonra gösterildi: Londra Bilim Müzesi, Babbage'ın çizimlerine ve dönemin üretim toleranslarına bağlı kalarak fark makinesinin ikinci sürümünü 1991'de tamamladı ve makine doğru sonuç verdi.

Delikli kart ve elektromekanik makineler

Hesaplamanın büyük ölçekli veriye uygulanması Herman Hollerith'in delikli kart makineleriyle başladı. 1890 Amerika Birleşik Devletleri nüfus sayımında kullanılan bu makineler, kartlardaki delikleri elektrik devresini kapatarak okuyor ve sayımı elle yapılandan çok daha hızlı bitiriyordu. Kart aynı anda hem veriyi hem de yapılacak işi taşıdığı için sonraki elli yıl boyunca hem giriş hem program ortamı olarak kullanıldı. Hollerith'in kurduğu şirket birkaç birleşmenin ardından 1924'te IBM adını aldı ve delikli kart makineleri iş dünyasında hesaplamayı 1930'lara dek taşıdı.

Röle, elektrikle çalıştırılan mekanik bir anahtardır ve mantık devrelerinin kurulmasına elverişlidir. Konrad Zuse 1941'de yaklaşık iki bin röleyle çalışan, ikili sayı düzenini ve kayan noktalı gösterimi kullanan, programını delikli filmden okuyan Z3'ü tamamladı. Amerika Birleşik Devletleri'nde Howard Aiken'in IBM ile birlikte geliştirdiği Harvard Mark I 1944'te çalışmaya başladı; on beş metre uzunluğundaki bu makine ondalık düzenle çalışıyor ve programını delikli şeritten alıyordu.

Elektromekanik makineler bir geçiş dönemidir. Röle hareketli parçası olan bir anahtar olduğundan saniyede ancak birkaç on işlem yapılabiliyor, makinenin hızı mekaniğe takılıyordu. Hız sınırının kalkması için anahtarlamanın hareketli parça olmadan yapılması gerekiyordu.

Vakum tüpü kuşağı

Vakum tüpü hareketli parçası olmayan bir anahtardır ve röleden yaklaşık bin kat hızlı çalışır. Buna karşılık çok ısınır, yüksek güç harcar ve sık bozulur; binlerce tüp taşıyan bir makinede arıza olağan bir çalışma koşuludur.

1942'de çalışır duruma gelen Atanasoff-Berry makinesi elektronik ve ikili çalışan, ancak programlanamayan tek amaçlı bir araçtı. İngiltere'de 1943'ten başlayarak şifre çözmek için kullanılan Colossus, bin beş yüz dolayında tüp taşıyan ilk büyük ölçekli elektronik makineydi. 1945'te Pennsylvania Üniversitesi'nde tamamlanan ENIAC ise yaklaşık on sekiz bin tüp taşıyordu, otuz ton ağırlığındaydı, yüz altmış yedi metrekare yer kaplıyordu ve yaklaşık yüz elli kilovat güç harcıyordu. Yeni bir iş için makinenin kabloları ve anahtarları elle yeniden kuruluyordu; bu kurulum günler sürebiliyordu.

Dönemin belirleyici adımı, programın da veri gibi belleğe yazılmasıdır. 1945 tarihli EDVAC üzerine ilk taslak rapor bu düzeni açık biçimde anlatan ilk metindir ve von Neumann mimarisi adıyla anılan yapının kaynağıdır. Düzeni ilk çalıştıran makineler, 1948'de Manchester'da kurulan küçük ölçekli deney makinesi ile 1949'da Cambridge'de kurulan EDSAC'tir. Programın belleğe yazılması, iş değiştirmeyi kablo kurmaktan bellek yüklemeye indirdiği için bilgisayarı genel amaçlı bir araç hâline getirdi.

Bilgisayar bu dönemde araştırma laboratuvarından ticari ürüne dönüştü. 1951'de teslim edilen UNIVAC I ticari olarak satılan ilk bilgisayardır; IBM 701 ve ardından 1954'te çıkan IBM 650 ile makineler yüzlerce kuruluşa ulaştı.

Belleğin bulunması ayrı bir sorundu. Cıva gecikme hattı ve Williams tüpü gibi ilk çözümler yavaş ve kararsızdı. 1950'lerin ortasında yaygınlaşan manyetik çekirdek bellek, her biti küçük bir mıknatıs halkanın yönüyle saklayarak güç kesildiğinde de veriyi koruyan, rastgele erişilebilen ilk güvenilir ana bellek oldu ve yirmi yıl boyunca kullanıldı.

Transistör kuşağı

Bell Laboratuvarları'nda John Bardeen ile Walter Brattain 1947'de nokta değmeli transistörü çalıştırdı; William Shockley bunu izleyen yıllarda üretime daha elverişli olan bağlantılı transistörü geliştirdi.

Transistör vakum tüpüyle aynı işi yapar, ancak çok daha küçüktür, çok daha az güç harcar, ısınmaz ve ömrü kat kat uzundur. Bilgisayarlara girmesiyle oda dolduran makineler birkaç dolaba sığdı, soğutma ve güç sorunları küçüldü, arıza sıklığı düştü. Tüplü makinelerde günde birkaç kez tüp değiştirmek olağanken, transistörlü makineler günlerce kesintisiz çalışabiliyordu.

İlk transistörlü makineler 1950'lerin ortasında ortaya çıktı; 1959'da tanıtılan IBM 7090 ve DEC PDP-1 bu kuşağın yaygın örnekleridir. Maliyetin düşmesi bilgisayarı yalnızca büyük kuruluşların değil, üniversitelerin ve orta ölçekli şirketlerin de erişebileceği bir araç hâline getirdi.

Tümleşik devre kuşağı

Transistörlü bir makinede öğeler tek tek üretiliyor ve elle bağlanıyordu; makine büyüdükçe bağlantı sayısı ve bağlantı kaynaklı arıza artıyordu. Çözüm, birden çok öğeyi tek bir yarı iletken parça üstünde birlikte üretmekti. Jack Kilby 1958'de germanyum üstünde tek parçadan oluşan bir devre çalıştırdı; Robert Noyce 1959'da silisyum ve düzlemsel üretim yöntemiyle seri üretime elverişli biçimi ortaya koydu.

Tümleşik devrenin ilk büyük alıcıları uzay ve savunma programları oldu; boyut ile ağırlığın belirleyici olduğu bu uygulamalarda yüksek birim maliyet sorun sayılmıyordu. Üretim olgunlaştıkça fiyat hızla düştü ve devreler ticari makinelere girdi.

1964'te tanıtılan IBM System/360 ailesi bu kuşağın dönüm noktasıdır. Aynı buyruk kümesi mimarisini paylaşan, başarımı ve fiyatı değişen makineler bir arada sunuldu; küçük bir makine için yazılan program büyüğünde de çalışıyordu. Mimarinin gerçekleştirmeden ayrılması, donanım ile yazılımın birbirinden bağımsız gelişebilmesini sağlayan yapısal ayrımdır.

Aynı dönemde DEC'in PDP serisiyle minibilgisayar sınıfı doğdu. Bir dolaba sığan, bir laboratuvarın ya da bölümün kendi bütçesiyle alabileceği bu makineler, bilgisayarı merkezî bir hesap merkezinden çıkarıp kullanıldığı yere taşıdı.

Mikroişlemci kuşağı

Tümleşik devreye sığdırılan öğe sayısı arttıkça, işlemcinin bütününün tek bir yongaya konması olanaklı hâle geldi. 1971'de üretilen Intel 4004 yaklaşık iki bin üç yüz transistör taşıyan dört bitlik bir işlemciydi. Onu izleyen 8080, Motorola 6800, MOS 6502 ve Zilog Z80 gibi yongalar, işlemciyi bir kuruluşun değil bir kişinin alabileceği fiyata indirdi.

Kişisel bilgisayar bu yongaların üstünde kuruldu. 1975'te satışa çıkan Altair 8800 mikroişlemcili bir makinenin bireysel olarak satın alınabileceğini gösterdi; Apple II (1977) hazır kullanılabilen bir ürün olarak yaygınlaştı; IBM PC (1981) ise yapısı açıkça belgelendiği için başka üreticilerin uyumlu makine yapmasına yol açtı ve bu uyumlu makineler pazarın omurgası oldu.

1980'lerde başarım artışının kaynağı mimariye kaydı. İndirgenmiş buyruk kümesi yaklaşımı, buyrukları basit ve düzenli tutarak boru hattı işletmeyi kolaylaştırdı. 1990'larda saat sıklığı hızla artarken sırasız yürütüm, dallanma öngörüsü ve çok düzeyli önbellek gibi düzenekler yaygınlaştı. 2000'lerden sonra ise özel amaçlı birimler öne çıktı; başlangıçta görüntü işlemek için tasarlanan grafik işlem birimleri genel hesaplamada ve yapay zeka iş yüklerinde kullanılır oldu.

Bellek ve depolama

Depolamanın geçmişi işlemcininkinden ayrı ilerlemiştir. Delikli kart ve delikli şeritten sonra 1950'lerde manyetik bant kullanıma girdi; bant sıralı erişimli olduğu için toplu iş yüklerine uygundu, tek bir kaydı aramaya elverişli değildi. Rastgele erişim gereksinimini IBM'in 1956'da tanıttığı, yaklaşık beş megabayt tutan ve bir ton ağırlığındaki sabit disk birimi karşıladı. 1971'de çıkan disket ise veriyi taşınabilir kıldı.

Ana bellekte manyetik çekirdeğin yerini yarı iletken bellek aldı. Hızlı ama pahalı olan SRAM önbelleklerde, her biti tek transistör ve tek sığaçla saklayan DRAM ise ana bellekte yerleşti; Intel'in 1970'te tanıttığı 1103 ilk yaygın kullanılan DRAM yongasıdır. Sonraki yıllarda optik ortamlar ve nihayet flash bellek ile katı hal sürücüleri eklendi.

Bu koldaki temel eğilim, kapasitenin ve bit başına maliyetin işlemci hızıyla aynı tempoda iyileşmesi, buna karşılık erişim süresinin çok daha yavaş iyileşmesidir. İşlemci ile bellek arasında açılan bu hız farkı bellek duvarı diye anılır ve bellek hiyerarşisinin, önbelleklerin ve gecikmeyi gizleyen düzeneklerin gerekçesidir.

Ölçeklemenin sınırları

Gordon Moore 1965'te, bir tümleşik devreye sığdırılan öğe sayısının düzenli aralıklarla ikiye katlandığını saptadı. Moore yasası diye anılan bu gözlem bir doğa yasası değil, sektörün elli yıl boyunca hedef olarak benimsediği bir eğilimdir.

Küçülmenin başarıma dönüşmesini sağlayan asıl kural 1974'te Robert Dennard ve arkadaşlarınca tanımlandı: transistörün boyutları küçültülüp gerilim de aynı oranda düşürüldüğünde birim alandaki güç yoğunluğu değişmeden kalır. Dennard ölçeklemesi geçerli olduğu sürece her yeni üretim kuşağı hem daha çok transistör hem daha yüksek saat sıklığı veriyordu.

Gerilim daha fazla düşürülemeyince bu ölçekleme 2000'lerin ortasında bozuldu. Saat sıklığı artırıldığında güç tüketimi ve ısı taşınabilir sınırın üstüne çıktığı için sıklık artışı durdu; güç duvarı denilen bu sınır, üreticileri tek çekirdeği hızlandırmak yerine yongaya birden çok çekirdek koymaya yöneltti. Çok çekirdekli tasarımlar başarımı koşutluğa bağladığından kazanç, iş yükünün ne kadarının koşut çalıştırılabildiğine bağlı hâle geldi.

Transistör sayısı artmayı sürdürse de hepsinin aynı anda çalıştırılamaması, güç bütçesine göre yonganın bir bölümünün kapalı tutulmasını gerektirdi. Bu koşullarda başarım artışı genel amaçlı tasarımlardan, belirli bir iş yükü için özelleştirilmiş birimlere kaydı.

Kuşaklar

Donanım tarihi çoğu zaman kullanılan anahtarlama öğesine göre dört kuşağa ayrılarak anlatılır. Tarih aralıkları kesin sınırlar değil, kaynaktan kaynağa değişen yaklaşık aralıklardır.

Kuşak	Yaklaşık dönem	Anahtarlama öğesi	Belirleyici özellik
Birinci	1940'lar-1950'ler	Vakum tüpü	Oda dolduran, çok güç harcayan, sık bozulan makineler
İkinci	1950'ler-1960'lar	Transistör	Küçülme, güç tüketiminde ve arızada belirgin düşüş
Üçüncü	1960'lar-1970'ler	Tümleşik devre	Makine aileleri, minibilgisayarlar, yaygınlaşan kullanım
Dördüncü	1970'lerden sonra	Mikroişlemci	Tek yongada işlemci, kişisel bilgisayar

Ayrıca bakınız

Kaynakça

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j Ceruzzi, Paul E. (2003). A History of Modern Computing (2 bas.). MIT Press. ISBN 978-0-262-53203-7.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Williams, Michael R. (1997). A History of Computing Technology (2 bas.). IEEE Computer Society Press. ISBN 978-0-8186-7739-7.
^ ^a ^b ^c Campbell-Kelly, Martin; Aspray, William; Ensmenger, Nathan; Yost, Jeffrey R. (2014). Computer: A History of the Information Machine (3 bas.). Westview Press. ISBN 978-0-8133-4590-1.
^ Haigh, Thomas; Priestley, Mark; Rope, Crispin (2016). ENIAC in Action: Making and Remaking the Modern Computer. MIT Press. ISBN 978-0-262-03398-5.
^ Bardeen, John; Brattain, Walter H. (1948). "The Transistor, A Semi-Conductor Triode". Physical Review. 74 (2). ss. 230-231. doi:10.1103/PhysRev.74.230.
^ Kilby, Jack S. (1976). "Invention of the integrated circuit". IEEE Transactions on Electron Devices. 23 (7). ss. 648-654. doi:10.1109/T-ED.1976.18467.
^ Amdahl, Gene M.; Blaauw, Gerrit A.; Brooks, Frederick P. (1964). "Architecture of the IBM System/360". IBM Journal of Research and Development. 8 (2). ss. 87-101. doi:10.1147/rd.82.0087.
^ Faggin, Federico; Hoff, Marcian E.; Mazor, Stanley; Shima, Masatoshi (1996). "The history of the 4004". IEEE Micro. 16 (6). ss. 10-20. doi:10.1109/40.546561.
^ ^a ^b Hennessy, John L.; Patterson, David A. (2019). "A new golden age for computer architecture". Communications of the ACM. 62 (2). ss. 48-60. doi:10.1145/3282307.
^ ^a ^b Hennessy, John L.; Patterson, David A. (2019). Computer Architecture: A Quantitative Approach (6 bas.). Morgan Kaufmann. ISBN 978-0-12-811905-1.
^ Moore, Gordon E. (1965). "Cramming more components onto integrated circuits". Electronics. 38 (8). ss. 114-117.
^ Dennard, Robert H.; Gaensslen, Fritz H.; Yu, Hwa-Nien; Rideout, V. Leo; Bassous, Ernest; LeBlanc, Andre R. (1974). "Design of ion-implanted MOSFET's with very small physical dimensions". IEEE Journal of Solid-State Circuits. 9 (5). ss. 256-268. doi:10.1109/JSSC.1974.1050511.

[ceruzzi-1] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j Ceruzzi, Paul E. (2003). A History of Modern Computing (2 bas.). MIT Press. ISBN 978-0-262-53203-7.

[williams-2] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Williams, Michael R. (1997). A History of Computing Technology (2 bas.). IEEE Computer Society Press. ISBN 978-0-8186-7739-7.

[ckelly-3] Campbell-Kelly, Martin; Aspray, William; Ensmenger, Nathan; Yost, Jeffrey R. (2014). Computer: A History of the Information Machine (3 bas.). Westview Press. ISBN 978-0-8133-4590-1.

[haigh-4] Haigh, Thomas; Priestley, Mark; Rope, Crispin (2016). ENIAC in Action: Making and Remaking the Modern Computer. MIT Press. ISBN 978-0-262-03398-5.

[bardeen-5] Bardeen, John; Brattain, Walter H. (1948). "The Transistor, A Semi-Conductor Triode". Physical Review. 74 (2). ss. 230-231. doi:10.1103/PhysRev.74.230.

[kilby-6] Kilby, Jack S. (1976). "Invention of the integrated circuit". IEEE Transactions on Electron Devices. 23 (7). ss. 648-654. doi:10.1109/T-ED.1976.18467.

[s360-7] Amdahl, Gene M.; Blaauw, Gerrit A.; Brooks, Frederick P. (1964). "Architecture of the IBM System/360". IBM Journal of Research and Development. 8 (2). ss. 87-101. doi:10.1147/rd.82.0087.

[intel4004-8] Faggin, Federico; Hoff, Marcian E.; Mazor, Stanley; Shima, Masatoshi (1996). "The history of the 4004". IEEE Micro. 16 (6). ss. 10-20. doi:10.1109/40.546561.

[hppatterson-9] Hennessy, John L.; Patterson, David A. (2019). "A new golden age for computer architecture". Communications of the ACM. 62 (2). ss. 48-60. doi:10.1145/3282307.

[hp-10] Hennessy, John L.; Patterson, David A. (2019). Computer Architecture: A Quantitative Approach (6 bas.). Morgan Kaufmann. ISBN 978-0-12-811905-1.

[moore-11] Moore, Gordon E. (1965). "Cramming more components onto integrated circuits". Electronics. 38 (8). ss. 114-117.

[dennard-12] Dennard, Robert H.; Gaensslen, Fritz H.; Yu, Hwa-Nien; Rideout, V. Leo; Bassous, Ernest; LeBlanc, Andre R. (1974). "Design of ion-implanted MOSFET's with very small physical dimensions". IEEE Journal of Solid-State Circuits. 9 (5). ss. 256-268. doi:10.1109/JSSC.1974.1050511.