מחשב

לפני המחשב

מכשירים עתיקים לעריכת חישובים, אבות אבותיו של המחשב המודרני, הם החשבונייה ומנגנון אנטיקיטרה, מכונה יוונית עתיקה המחשבת את תזוזת הכוכבים (מתוארכת ל־150–100 לפני הספירה). בסוף ימי הביניים חלה התקדמות במתמטיקה ובהנדסה האירופיות וב־1623 בנו וילהלם שיקארד ומספר מהנדסים נוספים מחשבון מכני. מכונות אלו לא דמו למחשבים של ימינו, שכן לא היה בכוחן לבצע תוכניות שנתן להן המשתמש, אלא רק חישובים שעבורם נבנו מלכתחילה.
ב־1801 הציג הצרפתי ז'וזף מארי ז'אקאר את המצאתו, נול הפועל באמצעות כרטיסים מנוקבים ובכך טווה תבניות מסובכות מאוד. הנול של ז'אקארד לא היה מחשב אמיתי, אך היווה שלב משמעותי בהתפתחות המחשב המודרני. צ'ארלס בבג' היה הראשון שהגה ותכנן מחשב הניתן לתכנות עוד ב־1837, אך המכשיר לא נבנה מעולם, בשל קשיים כלכליים שאיתם נאלץ להתמודד, ומשום שהתקציבים שהוקצו יועדו למכונה קודמת (שגם היא לא הושלמה), שהייתה למעשה מכונת חישוב מכנית, לא מחשב, בשם מנוע ההפרשים של בבג'
עד סוף המאה ה־19 הופיעו מספר חידושים, כמו הכרטיס המנוקב ושפופרת הריק שלימים יתגלו כשימושיים בתחום המחשוב. הכרטיסים המנוקבים שימשו כבר אז לצורך עיבוד נתונים רחב־היקף בארצות הברית, שבוצע במכונות טבולציה (tabulating machines) שתכנן הרמן הולרית.
במחצית הראשונה של המאה ה-20, פתרו מדענים רבים בעיות חישוביות באמצעות מחשבים אנלוגיים שהשתמשו במודל מכני או אלקטרוני של הבעיה כבסיס לחישוב. אף על פי שמכונות אלה נעשו מתוחכמות יותר ויותר עם השנים, הן הפכו לנדירות עם פיתוחו של המחשב הדיגיטלי הניתן לתכנות.
בשנות ה־30 וה־40 של המאה ה־20 נבנו בהדרגה מכשירי חישוב חזקים יותר וגמישים יותר. עם השנים החלו להופיע במכשירים תכונות דומות למחשב המודרני, כגון הסתמכות על אלקטרוניקה דיגיטלית במקום אנלוגית (פותחה בעיקר על ידי קלוד שנון ב־1937) ואפשרויות תכנות נרחבות יותר של המכונות. הצבעה על מכונה אחת מסוימת מבין אותן מכונות כ"מחשב הדיגיטלי הראשון" היא מטלה קשה ואולי אף בלתי אפשרית.

מחשבים מודרניים

המחשבים המבוססים על שפופרות ריק הוחלפו במחשבים מבוססי טרנזיסטורים. מחשבים אלה היו קטנים יותר, מהירים יותר, זולים יותר, ויציבים הרבה יותר. הללו תרמו לכך שאת המחשבים מבוססי הטרנזיסטורים ניתן היה לייצר באופן מסחרי החל מסוף שנות החמישים. בשנות השישים של המאה ה־20 אומצה טכנולוגיית המעגלים המשולבים, שסייעה להמשך המגמה של הקטנת והוזלת המחשבים, כשבמקביל פותחו לצרכים מיוחדים מחשבי על, בעלי מהירות חישוב גדולה במיוחד. בעשור זה הופיעו גם מחשבים ייעודיים רבים, כמו מחשבי משימה של מטוסי קרב וחלליות, ומיני מחשבים שהתאימו לשימושים שונים ומגוונים. החל מראשית שנות השבעים של המאה העשרים הופיעו מיקרו מעבדים, שאיפשרו לבנות מחשבים קטנים וזולים יותר ויותר, ובאמצע העשור איפשרו את הופעת המחשב האישי.
מגמת הוזלת מחירי המחשבים והקיטון בגודלם נמשכת עד היום. ניתן עדיין למצוא לא מעט מחשבים שגודלם כגודלו של ארון גדול. מחשבים אלה מצויים בעיקר במעבדות מחקר הזקוקות להם לשם חישובים מסובכים מאוד ומכונים מחשבי־על, או בחברות גדולות הזקוקות להם לשם עיבוד טרנזקציות רבות מאוד, אלו נקראים מחשבים מרכזיים (mainframe). למרות זאת, המחשבים השכיחים ביותר, באופן גורף, הם המיקרו־מחשבים שגודלם קטן בהרבה. בקבוצה זו ניתן למצוא את המחשבים האישיים והמחשבים הניידים ששכיחותם כה גדולה עד כי הפכו בשפת היום יום למונח נרדף למונח "מחשב" עצמו, ואת הטלפונים הסלולריים שכמעט בלי יוצא מהכלל מכילים מעבד.
צורת המחשב הנפוצה ביותר איננה המחשב האישי, וגם לא הטלפון הנייד, אף על פי שמחשבים אלו נפוצים ביותר. המחשבים הנפוצים ביותר הם מיקרו־בקרים, שנמצאים במערכת משובצת מחשב. אלו הם מחשבים זעירים המשובצים במכונה אחרת ומשתלבים בפעולתה. מחשבים משובצים ניתן למצוא בטלפונים סלולריים, מצלמות דיגיטליות, מקלטי טלוויזיה, מערכות שמע, ממירי כבלים, תנורי מיקרוגל, וכן הלאה. מערכות מורכבות יותר כמו מכוניות, מטוסים, ומערכות נשק שונות מכילות לעיתים עשרות ואף מאות מיקרו בקרים. למעשה, גם המחשב האישי המודרני מכיל, בנוסף למעבד המרכזי שלו, עוד מספר מיקרו בקרים ייעודיים שאחראים על תת־מערכות ספציפיות כמו המקלדת, בקר התצוגה, בקר הרשת, ועוד.
הפיכתם של המחשבים לקטנים יותר וזולים יותר לא הביאה לירידה בביצועיהם וביכולותיהם. למחשבים בתחילת המאה ה־21 יכולות גדולות מעריכית מאלה של קודמיהם, ויכולות אלו ממשיכות לגדול באותו הקצב. תופעה זו מתוארת בחלקה על ידי חוק מור ולפיו היא תימשך גם בעתיד.

מבנה המחשב

באופן מפתיע, על אף התקדמותה המסחררת של הטכנולוגיה בכל הקשור למחשבים, מרבית המחשבים בתחילת המאה ה־21 בנויים על פי אותו מודל שלפיו נבנו ראשוני המחשבים, מכונת פון נוימן.
לפי המודל, בנוי המחשב מארבע קבוצות רכיבים עיקריות. הרכיבים מחוברים ביניהם על ידי חבילות חוטים הנקראים "אפיקים" (באנגלית: buses). כלל הרכיבים מונָעים, לרוב, על ידי שעון פנימי או "טיימר" (אם כי גם אירועים אחרים יכולים להשפיע על בקרת הפעולה).
ארבע קבוצות הרכיבים הם:

יחידת השליטה

יחידת השליטה היא הגורם הקושר יחדיו את כל הרכיבים. היחידה קוראת פקודות ומידע מהזיכרון או מהתקני הקלט־פלט. היא מפענחת את הפקודות ומתחילה לפעול לפיהן. היא מספקת ליחידה האריתמטית־לוגית את הנתונים הדרושים, לפי הפקודה, ומכוונת אותה לבצע את סוג הפעולה הנדרשת. לאחר מכן שולחת יחידת השליטה את התוצאה בחזרה אל הזיכרון או אל התקני הקלט־פלט המתאימים. בתוך יחידת השליטה ישנו מונה השומר את כתובת הזיכרון שבה שמורה הפקודה הנוכחית עליה עובד המחשב, שמו "מונה הפקודות". קיימות פקודות לבקרת זרימה, שמטרתן שינוי המונה או שינויו תחת תנאים מסוימים (אם מתקיים תנאי מסוים). בכך מתאפשרות חזרות מרובות על מספר פקודות (לולאות) או "קפיצות" לקטעי קוד אחרים (למשל, פונקציות). לעומת זאת, רוב הפקודות אינן משפיעות על המונה ולאחר ביצוען מקודם המונה במספר השקול לגודלה של פקודה (הגודל תלוי במחשב המדובר), דבר המוביל למעבר לפקודה הבאה ברצף הפקודות בזיכרון.
יחידת השליטה והיחידה האריתמטית־לוגית מזוהות לרוב כרכיב אחד הנקרא מעבד (CPU - Central Processing Unit). במרבית המחשבים, החל משנות ה־80 ועד ימינו, נמצאות יחידת השליטה והיחידה האריתמטית־לוגית על גבי רכיב אחד הנקרא מיקרומעבד. במעבד מתרחשות הבאת הפקודות, תרגומן, הבאת הנתונים, עיבודם ולבסוף, שמירת התוצאות בזיכרון.
מבין כל מרכיבי המחשב, המעבד הוא הקובע יותר מכל את אופיו של מחשב זה, ואת התוכניות שניתן לבצע עליו. לפיכך המעבד נחשב ל"מוחו" של המחשב.

סיווג מחשבים

בעבר מקובל היה לחלק מחשבים לפי גודלם ולפי עוצמת העיבוד שלהם: מיקרו מחשבים, מיני־מחשבים, מחשבים מרכזיים ומחשבי־על. טשטוש הגבולות בין הקטגוריות, החלפת מיני מחשבים ברשתות של מחשבים אישיים, והיעלמותו של המסוף הביאו לירידה בחשיבות שיטת המיון הזו, עד להפיכתה ללא־רלוונטית באמצע שנות ה־90 של המאה ה־20.
כיום מקובל למיין מחשבים למחשבים אישיים – מחשבים המשמשים אדם בודד ולשרתים – מחשבים המשמשים יותר מאדם אחד; בין שתי הקטגוריות מצויות תחנות עבודה, אשר לרוב משמשות אדם אחד, אך לעיתים משמשות מספר אנשים.

תחנות עבודה

תחנות העבודה ניצבות בין עולם המחשבים האישיים לבין עולם השרתים. לרוב הן משרתות משתמש יחיד, אך לעיתים הן משרתות מספר משתמשים בעת ובעונה אחת. הן חזקות ויקרות מן המחשבים האישיים, ומשמשות לרוב ביישומים מקצועיים שבהם יש צורך בעוצמת עיבוד רבה, כגון עיבודים גרפיים או תכנון וייצור בעזרת מחשב (CAD).

שימושים במחשב

מחשבים הם חלק בלתי נפרד מהחיים המודרניים. עם הירידה במחירי המחשבים והקטנת גודלם, התפשט השימוש במחשבים לתחומים רבים, עד כי בחלקם כבר לא ניתן להסתדר בלעדיהם.
תחילה היה השימוש המרכזי במחשבים בחישובים מדעיים, לרוב לשם מטרות צבאיות. המחשב אניאק תוכנן במקור לחישוב טבלאות ירי־בליסטי עבור ארטילריה, אך השתמשו בו גם לחישוב צפיפויות לאורך חתך של נייטרונים כעזר בתכנון פצצת המימן, דבר שהאיץ בצורה משמעותית את פיתוחה (כיום גם נעשה שימוש רב במחשבי על למטרות הדמיה של נשק גרעיני). מחשבים רבים שימשו לפריצת צפנים, למשל המחשב האלקטרוני הניתן־לתכנות הראשון, קולוסוס, נבנה ב־1943, במהלך מלחמת העולם השנייה, בדיוק למטרה זו. תוך זמן קצר פרץ המחשב את תחום החישובים המדעיים והשימושים הצבאיים וחדר לתחומים אחרים.
השימוש במחשבים מתקדמים יותר, שתוכננו על פי מכונת פון נוימן, התמקד במערכות מידע לצרכים עסקיים. המחשב ליאו (LEO), שתוכנן בצורה זו ונבנה על ידי ג' ליונס ושות', בבריטניה, שימש לניהול מלאי ולמטרות נוספות, שלוש שנים לפני שבנתה יבמ את המחשב המסחרי הראשון הבנוי לפי מודל פון נוימן. עם הירידה במחירי המחשב והפיכתם של המחשבים לקטנים יותר התפשט השימוש בהם לארגונים קטנים יותר ויותר. עם המצאתו של המיקרו־מעבד בשנות השבעים, התאפשר ייצורם של מחשבים זולים יחסית, ובשנות השמונים הפך המחשב האישי לנפוץ מאוד והשתמשו בו לשם מטרות שונות כמו ניהול מלאי, כתיבת מסמכים והדפסתם, חיזוי מזג האוויר ומטלות הכרוכות בשימוש בגיליונות אלקטרוניים.
הירידה במחירי המחשבים הובילה לשימוש נרחב בהם בתחומים רבים, וברוב התחומים האלה תפס המחשב חלק כה נכבד עד כדי כך שקשה כיום לתאר כיצד יראה התחום ללא שימוש במחשבים. דוגמה לאחד מתחומים אלה הוא תחום האמנויות. מוזיקה, תמונות וסרטי וידאו נוצרים, נצפים ונערכים כעת באופן כמעט גורף על ידי מחשבים. תחום נוסף שהמחשבים פרצו אליו הוא תחום הבידור: תעשיית משחקי המחשב היא תעשייה נרחבת ופורחת המגלגלת סכומי כסף גדולים מדי שנה.
כמו כן עם התפתחות ה־E-learning נעשה שימוש הולך וגובר בלמידה משולבת מחשב לצורכי הוראה במסגרת החינוך הפורמלי.
הקטנת המחשבים, יחד עם הירידה במחירם, אפשרה להשתמש בהם לשליטה על מכשירים מכניים. התקדמות משמעותית בתחום נעשתה בעת הניסיון לבנות מחשב קטן מספיק כדי להדריך את החללית אפולו. המפורסמים ביותר מבין המכשירים נשלטי המחשב הם כנראה הרובוטים, מכונות, לעיתים בעלות חזות אנושית פחות או יותר, ובעלי יכולות אנושיות מסוימות. רובוטים נפוצים מאוד בתחום הייצור ההמוני, שם הם מחליפים בני אדם בתפקידים מסוימים. רובוטים רב־תכליתיים דמויי אדם נותרו בגדר מדע בדיוני והשימוש בהם הוא לרוב כצעצועים או בתחום המחקר, בייחוד בתחום הבינה המלאכותית, תחום שעוסק בניסיון להעניק למחשבים יכולות שכרגע נחשבות ליכולותיו הבלעדיות של האדם. בתחום זה חלה התפתחות רבה לאורך השנים ומחשבים יכולים כבר לבצע, ברמה מסוימת, מטלות שבעבר נחשבו אנושיות בלבד כמו "לקרוא" כתב יד, לשחק שחמט, או לחשב אינטגרל בצורה סמלית (בניגוד לצורה חישובית). עם זאת, פיתוחו של מחשב המראה אינטליגנציה הדומה לזו של אדם נראה מטרה רחוקה.
למרות פרסומם של הרובוטים, הם מהווים אחוז קטן מאוד מבין המכשירים נשלטי המחשב. דוגמאות למכשירים ולכלים שונים שמשובצים בהם מחשבים הם טלוויזיות, מקררים, מכוניות ומטוסים. מערכת שבה משובץ מחשב נקראת מערכת משובצת מחשב וישנם מתכנתים המתמחים בתכנות למערכות אלו.

דגמי חישוב חליפיים

המחשב התקדם רבות מאז המצאתו מבחינות רבות ובהן מהירות העיבוד שלו ונפח הזיכרון שלו, אך עדיין אינו מסוגל לבצע מטלות רבות. לרוב נובעת אי־יכולתו של המחשב מכך שזמן פתרון הבעיה, בדרכים המוכרות לנו, גדל מהר מאוד, באופן מעריכי, יחסית לגודל הבעיה. לשם פתרון בעיות מסוג זה, הוצעו מספר דגמים חליפיים לדגם המחשב המוכר לנו כיום.
סוג אחד של דגמים שהוצג שואב את רעיונותיו מעולם הביולוגיה והביולוגיה המולקולרית. חישוב באמצעות DNA, למשל, מציע לנצל את העובדה כי תאים מתחלקים בצורה מעריכית לשם פתרון בעיות על ידי חישוב מקבילי מסיבי. נכון להיום קיימת כמות מרבית מסוימת של DNA בה ניתן לטפל, דבר המגביל את המערכת.
דגם נוסף אף הוא נלקח מעולם הביולוגיה הוא רשת עצבית מלאכותית שבדומה לפעילות העצבית של המוח, מורכב מהרבה יחידות עיבוד בסיסיות שמתקשרות באופן מקבילי עם אלפי יחידות אחרות. דגם זה קשור לתחום בינה מלאכותית.
סוג אחר של דגמים שהוצג מגיע מעולם הפיזיקה ובייחוד ממכניקת הקוונטים. הרעיון הוא לבנות מחשב שהמידע בו מיוצג על ידי שימוש במאפיינים הקוונטיים של חלקיקים והפעולות על מידע זה מבוצעות בהסתמך על תופעות ממכניקת הקוונטים, כמו סופרפוזיציה קוונטית או שזירה קוונטית. מחשב שכזה, אם ייבנה, אמור להיות מהיר יותר בצורה משמעותית ממחשב רגיל בפתרון בעיות מסוימות. בעיות אלו באות בייחוד מתחום ההצפנה ומתחום ההדמיות הקשורות למכניקת קוונטים, וקיים עניין רב לפתור אותן.
קיימים דגמים נוספים שמקור תכנונם בתחומים המוזכרים לעיל ולעיתים גם מתחומים אחרים. מרבית הדגמים החליפיים מצויים עדיין בשלב המחקר הראשוני ונראה שהשימוש בהם יתבצע רק למטרת פתרון אותן בעיות שבהן נכשלים המחשבים של ימינו.