Lịch sử phần cứng máy tính (phần II)
Máy tính tương tự cải tiến
Bài chi tiết: kỹ thuật tương tự Máy phân tích vi phân Cambridge, 1938
Trước Chiến tranh thế giới II, máy tính tương tự cơ khí và điện tử được
xem là "thời thượng", và nhiều người cho rằng chúng là tương lai của
ngành tính toán. Những máy tính tương tự tận dụng sự tương tự chặt chẽ
giữa toán học ở tỷ lệ nhỏ — vị trí và chuyển động của bánh xe hay điện
thế và dòng điện của các thành phần điện tử — và toán học về các hiện
tượng vật lý khác, như đường đạn, quán tính, cộng hưởng, truyền tải năng
lượng, mô men, v.v.
[31]
. Mô hình hóa các hiện tượng vật lý bằng điện thế
và dòng điện điện tử
[32][33][34]
thành các số lượng tương tự.
Quan trọng nhất, những hệ thống tương tự này làm việc bằng cách tạo ra
tín hiệu tương tự điện tử từ những hệ thống khác, cho phép người dùng
dự đoán được hành vi của hệ thống đang xét bằng cách quan sát các tín
hiệu tương tự điện tử. Tín hiệu tương tự hữu dụng nhất ở cách mà hành vi
ở cấp độ thu nhỏ được biểu diễn bằng các phương trình vi tích phân, và
do đó có thể giải được những phương trình đó. Một ví dụ khéo léo về một
cái máy như vậy, sử dụng nước làm lượng số tương tự, là máy tích phân
nước chế tạo vào năm 1928; một ví dụ điện tử là máy Mallock chế tạo
vào năm 1941. Một máy đo diện tích là một thiết bị có thể thực hiện phép
tính tích phân, sử dụng khoảng cách làm lượng số tương tự. Cho đến
những năm 1980, các hệ thống HVAC sử dụng không khí vừa để làm
lượng số tương tự vừa để làm thành phần điều khiển. Không giống như
các máy tính kỹ thuật số hiện đại, máy tính tương tự không uyển chuyển

[39]
, được phát minh vào năm 1876 bởi James Thomson và được H.
W. Nieman và Vannevar Bush chế tạo tại MIT bắt đầu từ năm 1927.
Chưa tới một tá chiếc máy này được chế tạo; chiếc mạnh nhất được chế
tạo tại Khoa Cơ điện tử Moore của Đại học Pennsylvania, nơi chiếc
ENIAC được chế tạo. Những máy tính điện tử kỹ thuật số tương tự như
ENIAC đã báo hiệu hồi kết của phần lớn máy tính toán tương tự, nhưng
những máy tính tương tự lai, được điều khiển bởi các thiết bị điện tử số,
vẫn tiếp tục được dùng trên thực tế trong những năm 1950 và 1960, và
sau đó là trong một số ứng dụng chuyên môn. Nhưng giống như tất cả
những thiết bị kỹ thuật số khác, độ chính xác thập phân sau nhiều lần tính
toán (precision) của một thiết bị kỹ thuật số là một hạn chế
[40]
, trong khi
với thiết bị tương tự, độ chính xác so với thực tế (accuracy) lại là một hạn
chế
[41]
. Khi điện tử phát triển trong thế kỷ 20, bài toán tính toán ở điện thế
thấp mà vẫn giữ được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao
[42]
nhanh chóng hiện ra,
như nói phía dưới, vì mạch kỹ thuật số là một dạng đặc biệt của mạch
tương tự, dự định hoạt động ở những thiết lập chuẩn hóa (tiếp tục hướng
đi như vậy, cổng luận lý có thể được xem là một dạng mạch số). Nhưng
vì máy tính số đã trở nên nhanh hơn và sử dụng bộ nhớ lớn hơn (như
RAM hay bộ nhớ trong), chúng hầu như đã thay thế máy tính tương tự.
Lập trình máy tính, hay viết mã, đã vươn lên trở thành nghề nghiệp của
con người.
Máy tính số thuở sơ khai
Xem thêm: Khoa học máy tính

được gọi là máy Turing; nó thay thế cho ngôn ngữ phổ quát dựa trên toán
học có phần nặng nề hơn của Kurt Gödel. Ngoại trừ những hạn chế do bộ
lưu trữ có hạn, những máy tính hiện đại được xem là Turing đầy đủ, hay
nói cách khác, chúng có khả năng thực thi giải thuật tương đương với
máy Turing phổ quát. Kiểu giới hạn của tính đầy đủ Turing đôi khi được
xem như khả năng giới hạn phân tách máy tính đa năng và những máy
đời trước với mục đích cụ thể. Mẫu thiết kế của kiến trúc von Neumann (1947)
Để một máy tính toán trở thành máy tính đa năng, phải có một cơ chế
đọc-ghi thuận tiện, ví dụ như băng giấy đục lỗ. Với kiến thức về 'máy tính
phổ quát' mang tính lý thuyết của Alan Turing, John von Neumann đã
định nghĩa một kiến trúc sử dụng cùng một bộ nhớ cho việc lưu trữ
chương trình lẫn dữ liệu: hầu như tất cả các máy tính ngày nay đều sử
dụng kiến trúc này (hoặc một biến thể nào đó của nó). Tuy về mặt lý
thuyết hoàn toàn có thể hiện thực một máy tính hoàn chỉnh làm bằng cơ
khí (như thiết kế của Babbage đã chứng minh), điện tử học đã khiến cho
tốc độ và sau này là sự thu nhỏ trở nên khả dĩ hình thành nên những máy
tính hiện đại.
Có ba xu hướng phát triển máy tính song song với nhau trong thời gian
Chiến tranh thế giới II; trong đó xu hướng thứ nhất nhanh chóng bị quên
lãng, còn xu hướng thứ hai bị cố ý giữ bí mật. Xu hướng thứ nhất là công
trình Konrad Zuse của người Đức. Thứ hai là việc triển khai máy tính
Colossus trong vòng bí mật của Anh. Cả hai xu hướng này đều không có
ảnh hưởng nhiều đến các dự án máy tính khác nhau tại Hoa Kỳ. Xu
hướng thứ ba trong sự phát triển máy tính là ENIAC và EDVAC của
Eckert Mauchly, được biết đến rộng rãi
[45][46]
.

tưởng chính yếu mà sau này được biết đến với kiến trúc von Neumann và
được hiện thực đầu tiên trong bản thiết kế EDSAC của Anh sau đó
(1949). Zuse cũng tuyên bố đã thiết kế được ngôn ngữ lập trình cấp cao
đầu tiên, (Plankalkül), vào năm 1945 (được xuất bản năm 1948) mặc dù
nó được hiện thực lần đầu tiên vào năm 2000 bởi một nhóm do Raúl
Rojas đứng đầu tại Đại học Tự do Berlin – năm năm sau khi Zuse qua
đời.
Zuse đã phải chịu nhiều khó khăn trong Chiến tranh thế giới II khi một số
máy móc của ông bị phá hoại trong những chiến dịch ném bom của Quân
đồng minh. Rõ ràng là những kỹ sư tại Anh và Mỹ không hề biết đến đa
số công trình của ông cho đến mãi sau này, mặc dù ít nhất thì IBM đã chú
ý đến nó khi tài trợ tài chính cho việc thành lập công ty của ông vào năm
1946 để trả lại sẽ sở hữu bằng phát minh của Zuse.
Colossus
Bài chi tiết: Máy tính Colossus Colossus được để giải mã thông tin quân Đức trong Chiến tranh thế giới
II.
Trong suốt Chiến tranh thế giới II, người Anh tại Bletchley Park (40 dặm
về phía bắc London) đã đạt được một số thành công trong việc giải những
bức thư liên lạc quân sự được mã hóa của quân Đức. Máy mã hóa của
người Đức, Enigma, bị xâm nhập với sự giúp đỡ của những chiếc máy
cơ-điện có tên bombe. Bombe, do Alan Turing và Gordon Welchman
thiết kế, đặt tên theo phương pháp mã hóa bomba của Marian Rejewski
người Ba Lan (1938), bắt đầu được sử dụng vào năm 1941.
[48]
Chúng khử
được những thiết lập của Enigma bằng cách thực hiện hàng loạt những
phép suy diễn logic được hiện thực bằng điện tử. Đa số khả năng sẽ dẫn

MIT lần đầu tiên trong lịch sử hiện thực đại số Bool bằng cách dùng các
rờ-le và công tắc điện tử. Với tựa đề A Symbolic Analysis of Relay and
Switching Circuits (tạm dịch: Phân tích mang tính biểu tượng cho mạch
rờ-le và chuyển mạch), cuốn luận văn của Shannon về bản chất đã xây
dựng nên bản thiết kế mạch kỹ thuật số có thực. George Stibitz cũng hoàn
thành việc chế tạo chiếc máy tính dựa trên rờ-le mà ông gọi là "Mô hình
K" tại Bell Labs vào tháng 11 năm 1937. Bell Labs đã ủy quyền một
chương trình nghiên cứu đầy đủ vào năm 1938 dưới sự chỉ đạo của
Stibitz. Chiếc Máy tính số phức của họ
[51]
đã được hoàn tất vào ngày 8
tháng 1, 1940, có thể tính toán được số phức. Trong một lần trình diễn nó
tại hội nghị của Hội Toán học Hoa Kỳ ở Cao đẳng Dartmouth vào ngày
11 tháng 9, 1940, Stibitz đã có thể gửi những lệnh điều khiển từ xa cho
Máy tính Số phức qua đường dây điện thoại nhờ máy điện báo đánh chữ.
Đó là chiếc máy tính toán đầu tiên từng sử dụng điều khiển từ xa, ở đây là
qua đường dây điện thoại. Một số khán giả trong hội nghị đã chứng kiến
cuộc trình diễn đó gồm có John von Neumann, John Mauchly, và Norbert
Wiener, những người đã viết về nó trong cuốn hồi ký của họ. Nhân bản của Máy tính Atanasoff–Berry tại tầng 1 Durham Center, Đại
học bang Iowa
Vào năm 1939, John Vincent Atanasoff và Clifford E. Berry của Đại học
bang Iowa đã phát triển chiếc Máy tính Atanasoff–Berry Computer
(ABC)
[52]
, một chiếc máy tính điện tử kỹ thuật số có mục đích cụ thể là
giải hệ phương trình tuyến tính. Bản thiết kế này sử dụng trên 300 ống
chân không để tăng tốc độ tính toán và sử dụng tụ điện gắn cứng vào

Chiếc máy ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - Máy
tính hợp và tính toán số học điện tử) do Mỹ thiết kế là chiếc máy tính đa
năng điện tử đầu tiên. Được chế tạo dưới sự chỉ đạo của John Mauchly và
J. Presper Eckert tại Đại học Pennsylvania, nó nhanh hơn Harvard Mark I
1000 lần. Sự phát triển và chế tạo ENIAC kéo dài từ năm 1943 đến khi có
thể hoạt động hoàn toàn vào cuối năm 1945.
Khi bản thiết kế của nó được đưa ra, nhiều nhà nghiên cứu tin rằng hàng
ngàn cái van (tức là ống chân không) mỏng manh sẽ thường xuyên cháy
khiến cho ENIAC thường xuyên ngưng hoạt động để sửa chữa, do đó sẽ
vô dụng. Tuy nhiên, nó đã có thể thực hiện hàng ngàn phép tính một giây
trong vòng nhiều tiếng đồng hồ giữa hai thời điểm chết máy.
ENIAC chắc chắn là một thiết bị Turing đầy đủ. Tuy nhiên, một "chương
trình" trên ENIAC được định nghĩa bởi những trạng thái của cáp nối tạm
và chuyển mạch, một khoảng cách xa so với những máy điện tử chương
trình lưu trữ sử dụng kỹ thuật này. Lập trình nó có nghĩa là lắp lại dây
cho nó
[54]
. (Sự phát triển hoàn tất vào năm 1948 đã giúp nó có thể xử lý
các tập chương trình lưu trữ trong bảng bộ nhớ chức năng, khiến cho việc
lập trình bớt khó khăn hơn). Nó có thể thực hiện phép tính song song, vì
nó có thể được nối dây để thực hiện nhiều bộ cộng tích lũy cùng lúc. Do
đó phép tính tuần tự là đặc trưng của máy von Neumann diễn ra sau
ENIAC.