Tietokonetekniikan historia

Tietokonetekniikan historia käsittää niin tietokoneen, tietotekniikan, automaation kuin laskennan ja ihmisen ajattelun samanaikaisen kehittymisen näiden suhteen. Nykyaikaisen tietokoneen kehitys alkoi sähköisistä laskentalaitteista ja kehitys on kulkenut rele- ja putkikoneista transistoritietokoneiden kautta mikrokontrollereihin ja mikroprosessoreihin. Ensimmäiset tietokoneet 1940-luvulla oli tehty sotilaallisiin tarkoituksiin, muun muassa Saksan ja Japanin salakirjoitusjärjestelmien murtamiseen. Tietokonetta käytettiin aluksi ensisijaisesti laskemiseen (vrt. ). Nykyään tietokone ohjaa monesti laajoja järjestelmiä, esimerkiksi tietokoneohjattua tuotantoa, ase-, tiedustelu- tai johtamisjärjestelmää, liikennevaloja, puhelinkeskuksia, Internetin reitittimiä, autoja, pesukoneita, lähes kaikkia teknisiä järjestelmiä. Nykyaikaisen yhteiskunnan teknologinen pohja on keskeisesti tietokonetekniikkaa. Sulautetut järjestelmät ovat merkittävä kohde tietokonetekniikalle.

Laskennan ja matemaattisen kielen kehittyminen 
Tietotekniikan kehityksen ensi askeleena voidaan pitää puhutun kielen kielioppia, joka laajensi kielen ilmaisukykyä. Sivilisaatioiden syntyessä hallinnolle ja kaupalle tärkeämmät numerot ja laskenta kehittyivät usein ennen kirjoitustaitoa. Ensimmäisenä laskukoneena voidaan pitää helmitaulua. Seuraava askel automaation suuntaan oli reikäkortin käyttöönotto Joseph Marie Jacquardin kutomakoneissa. Herman Hollerith sai vuoden 1890 Yhdysvaltain väestönlaskennan johtajalta tehtäväksi mekanisoida tiedonkäsittelyä. Hollerith tunsi Jacguardin kutomakoneen. Hollerith kehitti menetelmän, jossa korttien reikien läpi menevä tikku kytki sähköimpulssit, joita sitten laskettiin. Vuoden 1880 väestön laskennan tuloksia oli laskettu 7 vuotta ja nyt päästiin kahteen ja puoleen vuoteen, vaikka henkilöä kohti kerättiin aikaisemman viiden kysymyksen sijasta 200 kysymystä. Hollerith perusti yrityksen nimeltä ”Tabulating Machine corporation” TMC. Vuoden 1910 väestönlaskenta annettiin hintasyistä toisille yrityksille ja TMC joutui taloudellisiin vaikeuksiin. TMC yhdistyi kolmen muun alan yrityksen kanssa, jolloin toimitusjohtajaksi ja pääomistajaksi tuli Thomas J. Watson. Hän muutti yrityksen nimeksi myöhemmin ”International Business Machines” IBM.

Tietokoneiden kehittyminen

Tietokonesukupolvet
Tietotekniikan historia kuvataan usein jakamalla tietokoneet neljään sukupolveen:
 rele- ja elektroniputkikoneet
 transistorikoneet (TTL-logiikka, ECL-logiikka)
 mikropiirikoneet
 mikroprosessorikoneet

Mekaaniset ja sähkömekaaniset tietokoneet
1820-luvulla Charles Babbage (1791–1871) pystyi esittämään tietokoneen toimintaperiaatteen. Babbage laati suunnitelman mekaanisesta laskukoneesta logaritmitaulukoiden laskemiseksi ja onnistui saamaan sille rahoituksen Englannin valtiolta. Babbage ei koskaan saanut valmiiksi differenssikonetta, kun hän keskittyi analyyttiseksi koneeksi kutsutun ohjelmoitavan koneen kehittämiseen. Siinä oli nykyaikaisen tietokoneen pääosat kuten tiedon syöttö, ohjelma, muisti ja tulostin. Kirjeenvaihdossa Ada Lovelacen (1815–1852) kanssa he keskustelivat sellaisista tietotekniikan käsitteistä kuin operaatio ja muuttuja. Babbage keksi reikäkorttien avulla kaksi ohjelmoitavan tietokoneen periaatetta, reikäkorttien sisällön määrämän suoritusjärjestyksen eli pakotetun hypyn sekä ehdollisen hypyn. Babbagen keksintö avasi automaatiolle rajattomien toimintamahdollisuuksien maailman. Babbagen poika Henry Babbage rakensi tietokoneen keskusyksikön osajärjestelmän, joka toimi kuten oli suunniteltu. Tämä laite lahjoitettiin Harvardin yliopistolle 1886. Yli puolivuosisataa myöhemmin sen löysi Howard Aiken. Aiken paneutui Babbagen julkaisuihin ja oivalsi, että uusilla sähköisillä ratkaisuilla Babbagen ideat voidaan toteuttaa. Aiken meni keskustelemaan ideoistaan IBM:n pääjohtajan Thomas Watsonin kanssa. IBM:stä tuli 1950-luvulla johtava tietokoneiden valmistaja.

Vuonna 1936 Alan Turing esitteli teoreettisen tietokoneen periaatteen, Turingin koneen, jossa hän tutki algoritmisen ongelman ratkaisun rajoja. Turing suunnitteli myös Automatic Computing Engine (ACE) -tietokoneen, joka johti muun muassa MOSAIC-tietokoneeseen. Claude Shannon esitti Boolen algebran käyttöä piirien analyysiin ja synteesiin vuonna 1938. John von Neumann ehdotti 1940-luvulla ohjelman siirtämistä muistiin tietokoneen toiminnan nopeuttamiseksi ja määritteli nykyaikaisen tietokoneen arkkitehtuurin. Von Neumann ehdotti EDVACin kehityksessä käyttää binäärijärjestelmää desimaalijärjestelmän sijaan, jolloin piirit voitiin tehdä yksinkertaisemmiksi.
Bitti-käsitteen esitti Claude Shannon vuonna 1948.  

Konrad Zuse rakensi ensimmäisen ohjelmoitavan laskukoneen Z3:n Saksassa 1941. Ensimmäinen elektroninen digitaalinen ohjelmoitava tietokone oli Colossus, mutta se ei ollut yleiskäyttöinen tietokone vaan suunniteltu kryptoanalyyttiseen tehtävään. Ensimmäinen yleiskäyttöinen elektroninen tyhjiöputkiin ja releisiin perustuva tietokone ENIAC valmistui vuonna 1945. ENIAC suoritti 385 kertolaskua sekunnissa. Nykyinen mikroprosessori on noin 3 000 000 kertaa ENIACia nopeampi. Transistorien ja tietokoneiden sarjatuotanto alkoi vuonna 1951. 50-luvun päättyessä maailmassa oli 3 000 tietokonetta. 

Varhaisissa tietokoneissa 1940-luvulla käytettiin peruskomponentteina yleensä joko elektroniputkia tai sähkömekaanisia releitä. Liikkuvat osat rajoittivat sähkömekaanisten koneiden nopeuden enintään muutamiin kymmeniin laskutoimituksiin sekunnissa, kun taas täysin elektroniset putkitoteutukset suorittivat samassa ajassa useita tuhansia operaatioita. Komponentit olivat kuitenkin joka tapauksessa suurikokoisia, epäluotettavia ja kuluttivat paljon energiaa.

Varhaisin muistitekniikka oli jo 1940-luvulla käytetty viivelinjoihin perustuva muisti. Muisti perustui pyöreissä putkissa vesi-metanoli-seoksessa tai elohopeassa kulkevaan aaltoon, joka voitiin lukea sen kuljettua putken läpi.
Manchesterin yliopistossa Freddie Williams ja Tom Kilburn kehittivät 1940-luvun lopulla katodisädeputkeen perustuvan muistitekniikan Manchester Mark I -konetta varten: tekniikkaa koekäytettiin Small-Scale Experimental Machinessa (SSEM), josta tuli ensimmäinen tallennetun ohjelman tietokone.
Aiempi Colossus ei ollut tallennetun ohjelman tietokone vaan sen ohjelmaa muutettiin johdoilla ja kytkimillä.
Ennen vuotta 1954 lähes kaikki ohjelmointi tehtiin matalan tason ohjelmointikielillä kuten konekielellä tai assemblyllä ja suuri osa ohjelmoijien työstä liittyi tuon ajan tietokoneiden rajoitteisiin.

1930-luvulla kehitetty rumpumuisti, joka perustuu pyörivään rumpuun ja sen pinnalle magneettisesti tallennettuun tietoon pysyi käytössä 1960-luvulle. Rumpumuistin edeltäjänä voi pitää soittorasioiden piikikkäitä sylintereitä, joille on tallennettu melodia.
1940-luvun lopulla kehitettiin ferriittirengasmuisti, joka pysyi käytössä kaksi vuosikymmentä.

Mekaanisista laskukoneista kuten IBM 407 käytetään toisinaan nimitystä ”nollannen sukupolven tietokoneet”.

Edmund Berkeley kirjoitti vuonna 1949 julkaistussa kirjassaan Giant Brains, or Machines That Think projektistaan nimeltä Simon, joka on mahdollisesti maailman ensimmäinen henkilökohtainen tietokone. Ohjeet koneen rakentamiseen julkaistiin Radio Electronics -lehdessä.

Ensimmäisen sukupolven tietokoneet 

Ensimmäisen sukupolven tietokoneet käyttivät muun muassa elektroniputkia, releitä ja mekaanisia komponentteja toimintoihinsa.
 Charles Babbagen Analyyttinen kone (1837) – ensimmäinen yleiskäyttöisen tietokoneen tekninen kuvaus. Toteutus jäi pahasti kesken, mutta koneelle suunniteltu konekieli todettiin yli sata vuotta myöhemmin Turing-täydelliseksi.
 Konrad Zusen Z1 (1937) – ensimmäinen ohjelmoitava binääriaritmetiikkaa käyttänyt laskukone, saksalainen. Z1 oli rakenteeltaan täysin mekaaninen ja käytössä hyvin epäluotettava. Laitteessa oli pieni hajasaantimuisti (64 sanaa), mutta käskyt luettiin muistin sijaan reikänauhalta, eikä käskykantaan kuulunut hyppykäskyjä.

 Konrad Zusen Z3 (1941) – ensimmäinen luotettava ohjelmoitava binäärilaskukone. Vastasi loogisilta ominaisuuksiltaan Z1:tä mutta oli toteutettu releillä ja oli sen myötä riittävän luotettava insinöörien työkäyttöön. Zusen varhaiset koneet tuhoutuivat sodassa, joten niiden asema tunnustettiin vasta suhteellisen myöhään.
 Atanasoff-Berry Computer (1941) – ensimmäinen täysin elektroninen binäärilaskukone, yhdysvaltalainen. Ei ollut ohjelmoitava vaan oli tarkoitettu pelkästään yhtälöryhmien automaattiseen ratkaisemiseen. Varhainen digitaalinen tietokone.
 Colossus (1943) – ensimmäinen täysin elektroninen ohjelmoitava tietokone. Brittiläinen.
 Harvard Mark I (1944) – yhdysvaltalainen relepohjainen laskukone. Vastasi ohjelmointiominaisuuksiltaan suunnilleen Z3:ea mutta käytti desimaalijärjestelmää binäärijärjestelmän sijaan.
 ENIAC (1945) – ensimmäinen täysin elektroninen yleiskäyttöinen tietokone, yhdysvaltalainen. ENIAC oli Turing-täydellinen, mutta sen ohjelmointi vaati fyysistä kytkentöjen muuttamista.
 IBM SSEC (1948)
 Small-Scale Experimental Machine (SSEM) (1948) ja Manchester Mark I (1949) – prototyypit von Neumannin arkkitehtuurin toteuttavasta tietokoneesta, jotka johtivat Ferranti Mark 1:n toteuttamiseen. SSEM oli ensimmäinen tallennetun ohjelman tietokone eli ohjelmaa voitiin vaihtaa ilman fyysisiä muutoksia.
 EDVAC (1949) – ENIACin seuraaja, joka käytti binääristä järjestelmää desimaalisen sijaan
 EDSAC (1949) – ensimmäinen käyttökelpoinen von Neumannin arkkitehtuurin toteuttanut tietokone. Brittiläinen.
 BINAC (1949) – ensimmäisiä elektronisia tietokoneita
 Konrad Zusen Z4 (1950) – ensimmäinen kaupallinen tietokone. Tietokone oli vielä elektro-mekaaninen.
 Ferranti Mark 1 ja UNIVAC I (1951) – ensimmäiset kaupalliset yleiskäyttöiset elektroniset tietokoneet.
 Harwell Dekatron (1951) – ensimmäinen luotettavasti toimiva digitaalinen tietokone
 ORDVAC ja ILLIAC I (1952) – ensimmäinen sarjatuotettu tietokone: samoja ohjelmia voitiin suorittaa molemmissa.
 FACOM100 (1954) – ensimmäinen käytännöllinen japanilainen relepohjainen tietokone
 FUJIC (1956) – elektroniputkiin perustunut ensimmäinen japanilainen elektroninen tietokone
 FACOM128B (1959) – relepohjainen tietokone

Toisen sukupolven tietokoneet 

Toisen sukupolven tietokoneet siirtyivät aiemmista tekniikoista diskreetteihin transistoreihin. Toisen sukupolven tietokoneita:
 TRADIC (1954)
 Harwell CADET (1956)
 Metrovick 950 (1956)
 ETL Mark III (1956)
 RCA 501 (1958)
 NEAC 2203 (1959)
 CDC 1604 (1959)
 PDP-1 (1959)
 IBM 1401 (1959)
 IBM 7030 (1961)
 LINC (1962)
 Atlas (1962)
 UNIVAC 1107 (1962)
 CDC 3000

1950-luvun jälkipuoliskolla otettiin käyttöön puolijohteisiin perustuvat transistorit, jolloin tietokoneiden komponentit ja energian tarve pienenivät oleellisesti ja luotettavuus parani. Germanium-transistorit olivat käytössä kunnes piipohjaisia opittiin valmistamaan. 

CDC 6600 -tietokoneeseen suunniteltu piipohjainen transistori oli ensimmäinen, joka oli nopeampi kuin germaniumiin perustuva.

Atlas-tietokoneen supervisoria on kutsuttu "ensimmäiseksi tunnistettavaksi moderniksi käyttöjärjestelmäksi".

Kolmannen sukupolven tietokoneet 

Kolmannen sukupolven tietokoneet perustuivat mikropiireihin. Kolmannen sukupolven tietokoneita:
 IBM S/360 (1964)
 IBM 1130 (1965)
 RCA Spectra 70
 UNIVAC 1108
 HP 2100 -sarja
 Data General Nova
 General Electric GE-600
 Honeywell 6000 -sarja

Erääksi kolmannen sukupolven tietokoneen tunnusmerkiksi sanotaan saman tietokoneperheen sisällä käytetty yhteensopiva arkkitehtuuri: aiemmin eri mallistoissa oli eri arkkitehtuuri ja malliston tietokoneet eivät olleet yhteensopivia.

1960-luvulla siirryttiin mikropiireihin, mikä pienensi jälleen komponenttien kokoa. Gordon Moore julkaisi artikkelin havainnosta, jonka mukaan komponenttien määrä mikropiirillä tuplaantui säännöllisesti kustannuksien pysyessä samana ja ennakoi tämän jatkuvan. Tämä tunnetaan nykyisin Mooren lakina. Dennard-skaalaus lisäsi havainnon, että energian kulutus on suhteessa transistorien pinta-alaan, jolloin sekä virta että jännite laskevat transistorien pienentyessä. 

Mikropiirien kehitys 1960-luvun alussa toi tietokoneet sotilaslentokoneisiin, ohjuksiin ja osaan avaruusaluksista 1970-luvun alkuun mennessä. Mikropiirit tehdään piikiekolle erilaisilla ohutkalvon kasvatus -menetelmillä. Halpojen mikropiirien vyöryn aloitti CMOS-tekniikka 1970-luvulla.

Mikropiirien jälkeen seurannut mullistus oli mikroprosessorin keksiminen, joka mahdollisti mikrotietokoneen ja henkilökohtaisen tietokoneen eli PC:n synnyn. 1980- ja 1990-luvuilla siirryttiin suuritiheyksisiin mikropiireihin (VLSI) ja edelleen suurnopeuksisiin mikropiireihin (VHSIC).

Neljännen sukupolven tietokoneet 

Neljännen sukupolven tietokoneet perustuivat mikroprosessoriin. Mikrotietokoneet ja henkilökohtaiset tietokoneet ovat tyypillisiä neljännen sukupolven tietokoneita.

1970-luku toi kaupalliset mikrotietokoneet kuten Micral N. Mikrotietokoneiden vallankumoukseksi sanotaan mikroprosessoriin perustuvien tietokoneiden yleistymistä. ”Vuoden 1977 kolmikko” Apple II, Commodore PET ja TRS-80 julkaistiin vuonna 1977. Mikrotietokoneet yleistyivät harrasteena ja saapuivat myös yrityskäyttöön kun niille julkaistiin ohjelmia, kuten VisiCalc (1979). Commodore PET:in sanotaan olleen ensimmäinen kaupallisesti menestyksekäs henkilökohtainen tietokone.

1980-luvulla Atari ja Commodore kävivät hintasotaa, mikä johti Texas Instrumentsin jättämään kotietokoneiden markkinat. 1980-luvulla markkinoille saapui suuria määriä mikrotietokoneita kuten MSX-yhteensopivat ja ZX Spectrum.

Gordon Bellin mukaan "henkilökohtainen työasema" esiteltiin vuonna 1981 kun Apollo Computer, Sun Microsystems ja Xerox esittelivät työasemansa ja varhaiset omaksujat ottivat ne käyttöön. Työasema on 1980-luvulla syntynyt tietokoneluokka, joka toi VAX:in kaltaisen suorituskyvyn työpöydälle. Työasema perustui edulliselle mikroprosessorille, joka oli tyypillisesti Motorola 68000. 
Eräät valmistajat kutsuivat 32-bittisiä suorittimia käyttäviä tietokoneitaan "supermikroiksi".

IBM PC julkaistiin vuonna 1981. Laite saavutti suosiota lähinnä ammattikäytössä korkean hintansa vuoksi. Halvempien kloonikoneiden valmistuksen myötä IBM PC -yhteensopivat laitteet yleistyivät.

Tietokoneiden kapasiteetin kasvaessa on myös ohjelmistojen koko ja käytettävyys kasvoivat.
Toimistotyössä henkilökohtainen tietokone tuotti suuria muutoksia, kun konekirjoittajat ja sihteerit korvattiin ATK-tallentajilla ja johtajat joutuivat itse kirjoittamaan omat kirjeensä ja raporttinsa.

CP/M oli dominoiva käyttöjärjestelmä henkilökohtaisille tietokoneille 1980-luvulle saakka.
1990-luvulla Microsoft Windows ja IBM:n OS/2 kilpailivat markkinosuuksista.
1990-luvun alkupuolella julkaistiin vapaan ja avoimen lähdekoodin Unixin kaltaisia käyttöjärjestelmiä, joita pystyi ajamaan myös mikrotietokoneissa: 386BSD ja sen johdannaiset NetBSD sekä FreeBSD ja Linux-ytimeen perustuva Linux.

Elektroninen konekirjoittaminen ja arkistointi laajeni 1990-luvun lopussa Internetin kautta laajaksi sähköisten tietokantojen ja tietoliikenteen infrastruktuuriksi. Digitalisoituminen on ilmiö, jossa mikropiirejä liitetään kaikkiin koneisiin. Autojen polttomoottoreiden pakokaasujen puhtautta ja moottorin hyötysuhdetta pystytään parantamaan mikropiiriohjausjärjestelmien avulla. Matkapuhelimista on tullut monitoimisia tietokoneita ja tietoverkkojen päätelaitteita, joihin on yhdistetty kamera, soitin ja GPS-paikannusjärjestelmä.

Mooren laki perustui havainnolle transistorien määrän kaksinkertaistumiseen, mutta siitä tuli itseään toteuttava "laki" kun se otettiin haasteena julkaista edistyaskeleita. Toisaalta CMOS-rakenteessa ei vuosikymmeniin ole juuri muuta muutettu kuin kasvatettu pakkaustiheyttä. Tasotransistorien tilalle on kehitetty kolmiulotteisia ja moniporttisia transistoreita. Mikropiireillä käytettävien transistorien rakenne on muuttunut 1950-luvulla keksitystä MOSFET-kanavatransistorista FinFET-tyyppiseen.

Viidennen sukupolven tietokoneet? 
Eräissä lähteissä mainitaan viidennen sukupolven tietokoneet, joihin laskettaisiin muun muassa kämmentietokoneet, taulutietokoneet ja älypuhelimet.

Mikrokontrollereita kuten MCS-48, jotka integroivat muistin suorittimeen on myös kutsuttu viidenneksi sukupolveksi johtuen integraatiokehityksestä (monoliittinen mikrotietokone).

Japanissa aloitettiin vuonna 1982 projekti viidennen sukupolven tietokoneen kehittämiseksi, joka yhdistäisi tekoälyn toimintaa ”koneeseen, joka ajattelee”. Merkittävin vaikutus projektilla oli mahdollisesti lukuisien ihmisten kouluttaminen tietotekniikkaan. Google ilmoitti vuonna 2016 kehittäneensä koneoppimiseen suunnatun ”tensorisuorittimen” (, TPU). TPU on ASIC-piiri, joka on sovitettu TensorFlow:n suorittamiseen. Myös useat muut yritykset työskentelevät tekoälyyn ja koneoppimiseen liittyvien ratkaisujen parissa. Kehitykseen liittyy läheisesti myös tarve laite-IO:n ja väyläteknologian tehokkuuden parantamiseen. Laitteiston kehitykseen liittyy myös tarve kehittää järjestelmäohjelmistoja, kirjastoja ja sovelluskehyksiä sekä kääntäjiä.

Kvanttitietokoneet voivat muuttaa näkemystä ratkaisevasti. Virheiden minimointi on näissä merkittävin kehitystavoite vielä vuonna 2017.

Suomen vanhimmat tietokoneet 

Suomalainen Telmac oli vuonna 1977 julkaistu mikrotietokoneen rakennussarja.

Tekniikan historia -lehti selvitti kesäkuussa 2017, missä sijaitsee vanhin Suomessa aidossa käytössä oleva tietokone. Lehden mukaan eräällä yrityksellä – joka ei halua nimeään julkisuuteen – on vielä käytössä vuonna 1988 asennettu IBM:n AS/400 -palvelin.

Muistien ja tiedontallennusvälineiden historia 

reikäkortit, reikänauha

Keskusmuistit (työmuistit):
rumpumuisti
ferriittirengasmuisti
puolijohdemuisti

Massamuistit (pitkäkestoiset muistit):
magneettinauha
kiintolevyt
levykkeet
optinen levy (Laserdisc, CD, DVD)
FLASH-muisti

Katso myös 
 Tekniikan historia
 Tietokonetekniikka
 Tietokonelaitteisto
 Tiedontallennusväline
 Oheislaite

Kirjallisuutta 

 Suominen, Jaakko: Koneen kokemus. Tampere: Vastapaino 2003. ISBN 951-768-139-9

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 
The History of Computer Storage, Zetta.net

Tietokonetekniikka
Seulonnan keskeiset artikkelit