Từng chiếm trọn một căn phòng, máy tính ngày nay đã thu nhỏ lại bằng móng tay như thế nào?

Tấn Minh |

Trải qua nhiều thập kỷ, máy tính đã giảm đáng kể cả về kích cỡ và giá thành.

Máy tính giữ một vị trí thiết yếu trong xã hội hiện đại, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của nhân loại trong nhiều thập kỷ qua. Chúng ta, từ những kẻ săn bắt - hái lượm, nay đã bay lên mặt trăng, và trong tương lai không xa sẽ có thể trở thành một chủng loài sống liên hành tinh, nhờ vào khả năng cơ giới hóa các quy trình lặp đi lặp lại, đồng thời lưu trữ và xử lý dữ liệu dựa trên các chỉ dẫn cho trước.

Hãy cứ nhìn xung quanh, bạn sẽ thấy máy tính ở khắp nơi. Chúng là bộ não của những chiếc smartphone trong túi bạn, đồng hồ trên tay bạn, những quả tim nhân tạo trong lồng ngực các bệnh nhân không may, động cơ xe hơi bạn đang chạy, thang máy trong các tòa cao ốc, đèn giao thông ở các ngã tư, máy trợ thính của bà nội bạn, và thậm chí là các bệ xí thông minh... Rõ ràng, máy tính ngày nay cực kỳ phổ biến.

Tuy nhiên, thưở ban đầu của máy tính lại không phải như vậy. Những chiếc máy tính đầu tiên lớn đến nỗi chúng thường chiếm trọn cả một căn phòng. Khổng lồ là vậy, nhưng những cỗ máy đó lại có sức mạnh xử lý chỉ bằng một phần rất nhỏ so với những thiết bị nằm gọn trong túi quần bạn ngày nay; chúng sẽ mất hàng giờ để đưa ra những kết quả mà smartphone chỉ cần vài giây. Chỉ mất vài thập kỷ, sự tiến hóa này thực sự là một kỳ tích. Lật lại những trang sách về quá trình cải tiến công nghệ sẽ giúp chúng ta có cái nhìn rõ hơn về bước nhảy điện toán đã định hình nên thế kỷ - và toàn thể nhân loại.

Tại sao những máy tính đời đầu lại có kích thước khủng?

Về cơ bản nhất, mục đích của một chiếc máy tính là nhận thông tin nhập liệu từ bên ngoài (bởi con người, và hiện nay, có thể là các môi trường bên ngoài và các chương trình khác), sau đó xử lý để cho ra kết quả có nghĩa.

Máy tính đã tồn tại dưới những dạng hết sức thô sơ từ trước khi con người phát minh ra điện. Chúng là những thiết bị mà con người dùng ngón tay để thực hiện các phép toán số học đơn giản (như bàn tính chẳng hạn). Những thiết bị này về sau được cải tiến nhiều hơn nhằm thực hiện được các phép tính nhanh hơn và phức tạp hơn.

Từng chiếm trọn một căn phòng, máy tính ngày nay đã thu nhỏ lại bằng móng tay như thế nào? - Ảnh 1.

Bàn tính

Một bước nhảy lớn xuất hiện vào năm 1804 khi Joseph-Marie Jacquard phát triển một hệ thống trong đó sử dụng các tấm thẻ đục lỗ làm phương thức nhập liệu cho các khung dệt. Những tấm thẻ đục lỗ này có thể được thay thế để đưa thông tin nhập liệu mới vào mà không cần thay đổi kết cấu của cỗ máy chính. Phải đến năm 1833, Charles Babbage - người được xem là "cha đẻ của máy tính" - mới phát minh ra chiếc máy tính dùng cho mục đích đại trà đầu tiên. Máy tính của ông được trang bị một động cơ phân tích mang tính cách mạng, sử dụng các thẻ đục lỗ làm phương thức nhập liệu, và một máy in để xuất kết quả ra.

Từng chiếm trọn một căn phòng, máy tính ngày nay đã thu nhỏ lại bằng móng tay như thế nào? - Ảnh 2.

Khung dệt Jacquard

Sau khi điện năng trở nên phổ biến, các rơ-le điện cơ đã được sử dụng làm các công tắc để tương tác với máy tính. Lúc này chúng ta có máy tính tương tự (analog) - một loại máy tính xử lý các dữ liệu biến thiên liên tục, chẳng hạn như các dao động điện, nhiệt độ, nhịp tim, hoặc áp suất khí quyển. Những chiếc máy tính như vậy được sử dụng rộng rãi trong Đệ nhất Thế chiến.

Từng chiếm trọn một căn phòng, máy tính ngày nay đã thu nhỏ lại bằng móng tay như thế nào? - Ảnh 3.

Máy tính analog

Ngược lại, máy tính kỹ thuật số gán các đại lượng khác nhau thông qua các ký hiệu, đó là lợi thế chính của chúng, bởi các quy trình trong máy tính kỹ thuật số có thể được sao chép chính xác hơn.

Từng chiếm trọn một căn phòng, máy tính ngày nay đã thu nhỏ lại bằng móng tay như thế nào? - Ảnh 4.

Máy tính kỹ thuật số dựa trên ống chân không

Hình trên là những chiếc máy tính đời đầu được lập trình dựa vào bo mạch logic ống chân không. Chúng được đặt trong những căn phòng lớn hơn cả một ngôi nhà hiện nay, và thường xuyên hư hỏng. Thời kỳ đỉnh cao của loại máy tính này là những năm 1950, nhưng sau đó bị thay thế bởi các bán dẫn, từ đó thu hút được nhiều sự chú ý hơn bởi chúng nhanh hơn, nhỏ hơn và đáng tin cậy hơn. Để tiện so sánh, một bit trong một ống chân không có kích cỡ gần bằng ngón cái, trong khi một bit trong bán dẫn chỉ nhỏ bằng móng tay mà thôi.

Từng chiếm trọn một căn phòng, máy tính ngày nay đã thu nhỏ lại bằng móng tay như thế nào? - Ảnh 5.

Máy tính kỹ thuật số dùng bán dẫn

Bước nhảy lớn tiếp theo là khi các bán dẫn được thay thế bởi các mạch tích hợp (IC) vào thập kỷ 1960. Từ đây chúng ta có công nghệ điện toán thế hệ thứ ba và tiến đến sử dụng các bán dẫn MOS siêu nhỏ, còn được gọi là MOSFET. Kích cỡ bán dẫn được thu nhỏ để có thể tạo ra các mạch điện tử trên một miếng vật liệu phẳng (silicon là vật liệu phổ biến nhất để làm IC). Nhờ đó sức mạnh xử lý tăng lên, đồng thời kích cỡ máy tính được giảm xuống. Một IC có thể đặt vừa hàng nghìn bit vào một không gian chỉ bằng một bàn tay.

Từng chiếm trọn một căn phòng, máy tính ngày nay đã thu nhỏ lại bằng móng tay như thế nào? - Ảnh 6.

Bán dẫn siêu nhỏ

Bước phát triển mới này đã giúp sức mạnh điện toán ở thời điểm đó bắt đầu tăng lên theo hàm mũ, dẫn đến hiện tại mà chúng ta đang sống ngày nay.

Định luật Moore và sự ra đời của máy tính cá nhân

Chip máy tính trở thành cánh cửa để mở ra những tiềm năng của sức mạnh xử lý tăng theo cấp số nhân. Kích cỡ các bán dẫn ngày càng trở nên nhỏ hơn, và qua từng thế hệ, cũng một kích cỡ chip nhưng số bán dẫn chứa bên trong ngày càng nhiều hơn, mang lại sức mạnh tính toàn lớn hơn. Các bán dẫn mà chúng ta dùng ngày nay có chiều dài chỉ 7nm mà thôi!

Gordon E. Moore, đồng sáng lập của Intel, từng đăng tải một nghiên cứu trên tạp chí điện tử vào ngày 19/4/1965, trong đó miêu tả một định luật mà ngày nay trở nên cực kỳ nổi tiếng. Ông nhấn mạnh tác động to lớn của việc thu nhỏ công nghệ, và ước tính sẽ mất 18 tháng để sức mạnh xử lý của các máy tính tăng lên gấp đôi. Theo định luật này, các máy tính ngày nay đã nhanh hơn hàng triệu lần so với các máy tính được dùng vào khoảng nửa thế kỷ trước.

Từng chiếm trọn một căn phòng, máy tính ngày nay đã thu nhỏ lại bằng móng tay như thế nào? - Ảnh 7.

Định luật này còn có nghĩa rằng chi phí sản xuất ra những con chip với cùng sức mạnh xử lý sẽ giảm theo lũy thừa sau mỗi 18 tháng. Tức là, một con chip có 2000 bán dẫn vào năm 1970 có chi phí 1000 USD; cũng con chip đó vào năm 1972 sẽ có chi phí 500 USD, vào năm 1974 sẽ có chi phí 250 USD, và đến năm 1990 sẽ chỉ còn khoảng 0,97 USD mà thôi. Chi phí của con chip đó ở thời điểm hiện tại sẽ vào khoảng chưa đầy 0,02 USD. Định luật này chính là thứ đã cho phép máy tính trở thành một món đồ không thể thiếu trong mỗi hộ gia đình, cùng chúng ta đi khắp mọi nơi, có thể nằm trong túi quần, và thậm chí là ngay trên ngón tay.

Kết luận

Quá trình thu nhỏ những ống chân không cồng kềnh, tiếp đó là quá trình thu nhỏ các bán dẫn, đã giúp giảm đáng kể kích cỡ của máy tính. Kết hợp với những thành tựu trong công nghệ lưu trữ, công nghệ nguồn điện, và các phương thức tản nhiệt, tốc độ cải tiến chóng vánh đã mang lại cho chúng ta những chiếc máy tính cá nhân mạnh mẽ ngày nay.

Định luật Moore đã dự báo chính xác đến đáng ngạc nhiên kích cỡ và sức mạnh tính toán của những chiếc máy tính hiện đại trong nửa thế kỷ gần đây, nhưng nó cũng đang đi đến giới hạn vật lý khi mà các bán dẫn không thể được thu nhỏ hơn nữa. Dù vậy, chúng ta vẫn có thể đưa ra những cải tiến dưới nhiều hình thức khác nhau, như sử dụng các vật liệu tốt hơn silicon, hoặc tạo ra các bảng mạch 3 chiều. Một khi chúng ta giải mã được bí mật của máy tính lượng tử, chúng ta sẽ có được bước nhảy lớn tiếp theo trong lĩnh vực điện toán, mở khóa được sức mạnh chưa từng có tiền lệ. Chắc chắn những tiến bộ trong phần cứng máy tính trong tương lai sẽ thay đổi đáng kể cách chúng ta sống và liên lạc với nhau.

Tham khảo: ScienceABC