See põnev arengutee on viinud selleni, et praegu on igal nutitelefoni omanikul taskus rohkem arvutusjõudlust kui toona terves ilmas kokku. Kuidas see kõik teoks sai?
Inimene hakkas arvutama juba siis, kui ta paikseks jäi – oli ju vaja teada, mitu karilooma on karjas, mitu tündrit vilja sai kogutud jne. Algselt olid arvutusvahenditeks meie käed ja kuna loodus oli andnud meile kaks kätt viie sõrmega (mitte nelja või kuuega), saigi pikapeale valitsevaks numbrisüsteemiks kümnendsüsteem, mitte maailma vanim, teadaolevalt kolmandast aastatuhandest eKr (mööndustega) kuuekümnendsüsteem muistsest Babülooniast, õigemini juba Sumerist.
Kui kokkuloetavat oli ikka palju enam, läks vaja abivahendit – ja selleks sai juba aastatuhandete tagant Vanas-Egiptuses leiutatud abakus. Võiks öelda, et see oli üks kõige kauem kasutuses olnud tehniline lahendus. Vanema põlvkonna inimesed mäletavad, kuidas poodides, raamatupidamistes jm klõbistasid teenindajad numbreid kokku lüüa rahva poolt „hullukanneldeks“ kutsutud arvelaudadel. Kuid hullukannel aitas vaid lihtsates arvutustes, keerukamatel juhtudel tuli abi otsida ettearvutatud ja raamatuteks trükitud logaritmide ja trigonomeetriliste funktsioonide tabelitest. Taas mäletab vanem põlvkond neid ka koolis vajalikke raamatukesi. Kuid nende suureks puuduseks oli ebatäpsus – ujukomavastuseid anti vaid kahe-kolme komakoha täpsusega, lisaks veel võimalikud vead tabeli loojate (ja ka trükikuradi) poolt. Kui see kolm kohta võis tavaelus olla mingi projekti jaoks piisav täpsus, siis tuhandekilomeetrised distantsid, kosmilistest vahemaadest rääkimata, siin enam jutuks ei tulnud.
Esimesed ideed arvutite vallas
Üheks esimeseks pioneeriks tänapäevaste arvutite loomisel oli inglise matemaatik ja multiteadlane Charles Babbage (1791–1871). Tal tekkis idee hakata keerukamaid arvutusi masinate abil lahendama. Nii nuputas ta kolme aasta vältel (1819–1822) oma Difference Engine nime kandava rehkendusmasina kallal. Valmis ta seda masinat ei saanudki, sest tal tekkis kavalam idee ning rahutu hing hakkas aastal 1837 ehitama uut versiooni – Analytical Engine. Palju abi sai Babbage talle assistendiks tulnud lord Byroni tütrelt, krahvinna Ada Lovelace’ilt, kelle auks on nimetatud üks kõrgtaseme programmeerimiskeeli Ada.
Babbage polnud eriline suhtleja ja oma ideede propageerija, pigem nurgas nohisev eraklane. Kuid peale üht tuntumat esitlust Torino ülikoolis aastal 1842 kirjutas Babbage’ arvutist prantsuse keeles väga hea ülevaate noor itaalia insener Luigi Menabrea, kellest sai hiljem Itaalia peaminister. Ada tõlkis selle koos kommentaaridega (mis olid kohati mahukamad kui raamat ise) inglise keelde ja see teos sai suunaandjaks paljudele hilisematele arvutiloojatele.
Konfliktse isikuna ülemuste suhtes ja suures rahapuuduses Babbage ei saanudki oma eluajal täisfunktsionaalset masinat valmis ehitatud, kuid suured saapajäljed arvutite ajalukku olid vajutatud. Masina täielik töötav mudel õnnestus luua alles mõnikümmend aastat tagasi.
Pärast Babbage’i surma jäid tema arvuti ideed soiku, kuni alles eelmise sajandi kolmekümnendatel andis neile uue hingamise arvutimaailma suurtäht Alan Turing oma universaalse arvuti ideega. Saksamaal tegeles arvutitega tuntud teadlane Konrad Zuse, kes ehitas aastal 1936 mehaanilise arvuti Z1. Selles arvutis on ajaloolist tähendust selles mõttes, et ta kasutas esimesena binaarsüsteemi (kahendsüsteem – numbriteks vaid 1 ja 0), mis on arvutile meie kümnendsüsteemist palju kiirem ja loomulikum tööviis. Järgnesid Z2 (mehaaniline + releed) ja täisreleedega Z3. Natsi-Saksamaa ei näinud neis mingit perspektiivi ja rahastus lõigati ära. Oma viimase masina, kuuekümne nelja 32-bitise sõnamärgiga masina Z4 ehitas ta alles pärast sõda Šveitsis Zürichis.
Sõda keerab kraanid valla
Maailma esimese elektroonilise digitaalarvuti ehitasid aastal 1937 John V. Atanassov ja Clifford Berry (Atanassov-Berry Computer – ABC), kuid toona nad kaugele ei sõudnud. Kui puhkes Teine maailmasõda, tekkis kohe probleem sakslaste koodimasinaga Enigma krüpteeritud sõnumite lahtimuukimisel. Enigma koodimasina töötas välja Arthur Scherbius juba aastal 1918 ning Teises maailmasõjas kasutasid sakslased selle neljandat versiooni. Toonased dekrüpteerimise võimalused olid kasinad ja ega suurt võitu polnud, kui teksti suudeti lugeda pärast mitmepäevast muukimist, mil kõik kavandatud operatsioonid olid juba teoks saanud. Hoopis hulluks läks asi, kui sakslased võtsid kõige olulisemate sõnumite ja korralduste jaoks kasutusele nende uusima Lorentz SZ40 šifreerimismasina. See masin oli inglastele murdmatu. Vaja oli kiiret lahendust.
Uue arvuti loomine anti juhtida samuti kuulsale nimele arvutite ajaloos – Max Newmanile. Dollis Hilli keskuses tegutsenud grupp kaasas raadioelektrooniku Tommy Flowersi, kes pakkus aeglaste mehaaniliste lülitite ja releede asemel raadiolampide kasutamist. Tema nõuannete kohaselt ei tohtinud seadet kogu aeg sisse-välja lülitada – see suurendas töökindlust. Bossid läksid riski peale välja, raha tuli taha ja nii valmiski vaid kümne kuuga (veebruar – detsember 1943) esimene elektrooniline arvuti Colossus Mark I. Ta koliti Bletchley Parki keskusesse Buckinghamshire’is ning alustas tööd 5. veebruaril 1944, mida me võimegi lugeda tänapäevaste arvutite stardiaastaks. Juba juunis aeti püsti Colossus Mark II ning kokku ehitati neid kaksteist. Colossused baseerusid täielikult raadiolampidel ja türistoridel – neid oli Mark I arvutis 1600 ja Mark II masinas juba 2400. Kahjuks puudus neil veel operatiivmälu ja ka sisendiks oli aeglane paberlint, mis mahutas kuni 20 000 viiebitist märki. Colossused suutsid dešifreerida umbes 90% sakslaste ülisalajastest sõnumitest. Neil oli suur osa Normandia dessandi edukal läbiviimisel, mis aitas säästa tuhandeid inimelusid. Kuna tegu oli militaarse leiutisega, siis oli salastatus suur ning Colossuse programm avalikustati alles möödunud sajandi 70ndate aastate lõpus. Paljud tuntud projekti tegijad olid selleks ajaks juba siit ilmast lahkunud ega saanud oma töö vilju avalikult nautida.
USA astub arvutimaailma
Ka Ameerikas ei magatud. Üheks suureks keskuseks arvutite arendamisel kujunes Pennsylvania ülikooli Moore School of Electrical Engineering, kus projektijuhtideks said John W. Mauchly ja J. Presper Eckert. Juunis 1943 said nad valitsuselt lepingu ENIAC-nimelise (Electronic Numerical Integrator and Computer) arvuti loomiseks. Arvuti ehitati valmis aastail 1945–1946 ja oli teistest peajagu üle – ta sisaldas pea 19 000 raadiolampi, kaalus umbes 30 tonni ning energiatarve oli meeletult suur. Kui ta esmakordselt tööle pandi, tuhmusid tuled terves selles Philadelphia linnajaos. Kuigi oli tegemist juba täiselektroonilise arvutiga, programmeeriti seda ikka käsitsi lülititega.
Samal aastal ehitati Harvardi teadlase Howard Aikeni juhendamisel IBM poolt arvuti Mark I, mis viidi järgmisel aastal Harvardi ülikooli ja mis töötas kogu sõja jooksul 24/7 US Navy jaoks. Järgmisena ehitati juba täiuslikum variant – Mark II. Juunis 1945 publitseeris üks modernsete arvutite esiisasid John von Neumann artikli tõeliselt elektroonilisest arvutist. Selle disain – EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) – arendati koostöös Alan Turingiga National Physical Laboratory’s (NPL) arvutiks ACE (äss, tuus). EDVACis oli peaaegu 6000 lampi ja 12 tuhat dioodi, vajas võimsust 56 kW, põrandapinda 45,5 m² ja kaalus 7,85 tonni. Temaga töötas 30 inimest. Turing tutvustas selle mälus korduvkasutusega alamprogrammide ideed, mis on tänapäeval asendamatu.
Kuid ärilises mõttes tundusid arvutid kasutud. Nii ütles (väidetavalt, kuna tõendavaid dokumente pole) IBMi tippjuht Thomas Watson aastal 1943, et kogu maailma turul on ruumi vaid viie arvuti jaoks. See linnalegendide hulka kuuluv väide näitab siiski toonast suhtumist arvutitesse. Aastal 1949 oli ajakiri Popular Mechanics oma tulevikuennustustes äärmiselt optimistlik, teatades, et tuleviku arvutid ei kaalu enam rohkem kui poolteist tonni J. Kuid ENIACi 30 tonni kõrval oli see ennustus oi kui optimistlik.
Arvuti saab mälu
Suureks piduriks oli arvutiasjanduses aga operatiivmälu puudumine. Andmete pidev sisestamine aeglastelt andmekandjatelt tõmbas pidurit kogu süsteemi jõudlusele. Siis tuli Frederic C. Williams välja oma katoodkiiretorudel (CRT) baseeruva lahendusega. Aastal 1947 esitles ta oma 2048-bitist mälusalvestit. Selle ümber ehitatigi Neumanni ja Turingi osalusel elektronarvuti Baby, millel oli kasutada kolmkümmend kaks 32-bitist märki, sisendiks klaviatuur ja väljundiks monitor. Seega võib Babyt lugeda tänaste arhitektuuriga arvutite esiisaks. 21. juunil 1948 tegi Baby esimese suure kommertsarvutuse 52 minuti jooksul ning sai esimeseks programmeeritud arvutiks maailmas. Järgmisel aastal kasvas Baby mälumaht 128 40-bitise sõnani ning lisaks oli veel 1024 sõna aeglasel trummelmälul. See arendus sai ka riikliku toe ning ta baasil loodi firma Ferranti Company poolt veebruaris 1951 esimene kommertsarvuti Mark I.
Mauchly ja Eckert, kes olid lahkunud Moore School meeskonnast, tarnisid oma esimese kommertsarvuti UNIVAC (Universal Automatic Computer) märtsis 1951 USA rahvaloenduse büroo jaoks.
Kuid CRT mälu polnud parim lahendus ja nii jõuti peatselt ferriitmagnetmäludeni, mis vastavalt polariseeritusele majutasid kas bitti 0 või 1. Lahendus oli kiire ja odav ning jäi peamiseks mäluliigiks pea 20 aastaks.
Ka britid ei maga
Suurbritannias oli arvutite arendamisel suur puudus rahast (Colossus oli ülima salastatuse all) ja siis tuli välja omapärane tegija, kelle nina haistis tulevikus paistvaid kasumeid. J. Lyons & Co. oli suur Briti tee- ja koogikeste impeerium ning asutaja (hilisem sir) Joseph Lyons otsustas panustada suure summa raha Cambridge’i arvutiprojekti (töörühma juht Maurice Wilkes) tingimusel, et nende spetsialist saab õiguse programmis osaleda ning firma selle hüvesid kasutada. Kui arvuti EDSAC (Electronic delay storage automatic calculator) 1951. aastal valmis, ehitas firma sama aasta sügisel ka oma arvuti, mis sai nimeks LEO I (Lyons electronic Office I). Arvuti kasutamisel ilmnesid kohe selle eelised – kui tavaline kontoriametnik arvutas näiteks tavameetoditega ühe töötaja palga välja 8 minutiga, siis arvuti tegi seda 1,5 sekundiga. 1953. aastal lasksid nad välja juba täiuslikuma versiooni LEO II ning veidi hiljem ka LEO III. Firma hakkas arvuteid tootma ja rentima ning äri edenes. Aastal 1959 oli Ühendkuningriigis juba üle 100 arvuti, järgmisel aastal löödi 300 arvuti piir ning edasi kasvas see juba 5000 arvuti peale. Nõudlus tekitas ka pakkumist ja riburada tekkis arvuteid ehitavaid firmasid, ent turg polnud siiski kummist – peatselt konsolideerusid Briti arvutitootjad üheks suureks firmaks International Computers Ltd. (ICL).
Kokkuvõtteks
Kui eelmise sajandi 50ndatel ehk raadiolampide ajastul mahtus 1 bitt pöidlasuurusele alale, siis 50ndate – 60ndate transistortehnoloogias võttis 1 bitt sõrmeküüne suuruse ruumi. 60ndate – 70ndate integraalskeemide ajastul mahtus 1000 bitti käelaba suurusele alale ning alates 70ndatest mahub ränikiibi tehnoloogias sõrmeküüne suurusele alale juba miljoneid transistore.
Äsja teatas Cerebras Systems oma uuest kiibist, mille 42 225 ruutmillimeetrile on mahutatud triljon transistori. Võrdluseks: Nvidia hetke suurim graafikaprotsessor on „vaid“ 56,7 korda väiksem – 815 mm2 (8,15 cm2).
Arvutite areng oma silmaga
Minu esimene kokkupuude arvutitega oli eelmise sajandi 70ndate lõpus, kui läbisime Tartu Ülikoolis õppetöö käigus lühikursuse armeenlaste Nairi-2 masinal, kus sai ikkagi kuulus „Hello, World“ ära programmeeritud. Erinevalt teistest keemiateaduskonna kaaslennus õppinuist ei solgutanud ma kolbides mingeid olluseid, vaid minu kursuse- ja diplomitöö oli aatomite ja molekulide arvutisimulatsioonide vallast. Siis sai neid teostatud ülikooli arvutuskeskuses alul Minsk-32, hiljem EC-1022 suurtel masinatel. Ise ma neid näppida ei saanud – lähteandmed tuli edastada algul viiemärgilisel perfolindil, hiljem perfokaartidel ja siis oodata väljatrüki „tapeeti“. Aga rammu need ülesanded vajasid – nt metaani molekuli elektronorbitaalide arvutus nõudis kordi rohkem masinaaega kui lihakombinaadi kogu aasta eelarve arvutused.
Ootamatult arvutiärisse sattununa sain ma ka esimese enda arvuti juba aastal 1989. See oli Amiga 500, mis toona maksis sama palju kui Lada 2108. Selle Motorola 68 000 8 MHz protsessor koos 512 kB operatiivmäluga suutis pakkuda 1,4 miljonit tehet sekundis. Praegu seisab mul nina ees Intel i7-9700K 4,9 GHz protsessoriga masin 32 GB mäluga. Seega on protsessori kiirus selle ajaga kasvanud 612 korda ja mälu maht koguni 64 000 korda. Kui aga lugeda süsiniknanotorudega transistoritest, siis nende kolmemõõtmeliseks arendamisel pole varsti enam piire. Siis pole ka kaugel aeg, mil inimkond jõuab singulaarsuseni (arvuti protsessori jõudlus saab võrdseks või ületab inimaju võimekust). Kas meid ootab ees Steven Hawkinsi hoiatus arvutite ülemvõimust, mida oleme veenvalt näinud „Terminaatori“ ja „Matrixi“ ulmefilmides, või leiame nendega ühise keele, seda näitab tulevik. Igal juhul hoiame pöialt!
