İnsanlığın hesaplama ihtiyacı, tarihin en erken dönemlerine, tarımın ve ticaretin doğuşuna kadar uzanmaktadır. Antik medeniyetler, sayısal kayıtları tutmak ve temel aritmetik işlemleri gerçekleştirmek için ilkel araçlar geliştirmişlerdir. Bu araçların en bilinen örneklerinden biri, abaküstür. MÖ 2400'lü yıllara dayanan Babillere ve daha sonra Çin, Roma ve diğer birçok kültüre ait olan abaküs, hareketli boncuklar ve çubuklardan oluşan mekanik bir hesap makinesiydi. Bu basit ama etkili alet, binlerce yıl boyunca ticarette ve muhasebede vazgeçilmez bir araç olmuş ve hesaplama mantığının temelini oluşturmuştur.
17. yüzyıla gelindiğinde, bilimsel devrimin ivme kazanmasıyla birlikte, hesaplama araçları da daha karmaşık hale geldi. Blaise Pascal 1642'de, vergi memuru olan babasının işini kolaylaştırmak amacıyla, Pascaline adını verdiği mekanik bir hesap makinesi icat etti. Bu cihaz, dişli çark mekanizması kullanarak toplama ve çıkarma işlemlerini gerçekleştirebiliyordu ve tarihte ticari olarak üretilen ilk mekanik hesap makinesi olarak kabul edilir. Pascaline, sınırlı işlevine rağmen, insan eliyle yapılan hesaplamalardan makine destekli hesaplamalara geçişin ilk somut adımını temsil ediyordu.
Pascal'ın icadından kısa bir süre sonra, Alman filozof ve matematikçi Gottfried Wilhelm Leibniz, Pascal'ın tasarımını geliştirdi. 1673'te tanıttığı Stepped Reckoner (Basamaklı Hesap Makinesi), yalnızca toplama ve çıkarma değil, aynı zamanda çarpma, bölme ve karekök alma işlemlerini de yapabilen daha gelişmiş bir mekanizmaydı. Leibniz'in en önemli katkılarından biri de ikili sayı sistemi (binary system) üzerine yaptığı çalışmalardır. Tüm sayıların 0 ve 1 rakamları kullanılarak ifade edilebileceğini öne süren Leibniz, bu sistemin gelecekteki dijital bilgisayarların teorik altyapısına zemin hazırlamıştır. Bu dönemdeki tüm bu cihazlar, tamamen mekanik prensiplerle çalışıyordu ve "programlanabilir" değildi; her bir işlem için manuel kurulum gerektiriyorlardı.
Analitik Motor ve Programlanabilirliğin Doğuşu
19. yüzyıl, modern bilgisayar fikrinin doğduğu dönemdir ve bu devrimin merkezinde İngiliz matematikçi, filozof ve makine mühendisi Charles Babbage bulunmaktadır. Babbage, logaritma tabloları gibi karmaşık matematiksel tabloların elle hazırlanması sırasında sıkça yapılan insan hatalarından rahatsızlık duyuyordu. Bu soruna bir çözüm bulmak amacıyla, önce 1822'de Fark Makinesi'ni (Difference Engine) tasarladı. Bu buhar gücüyle çalışan devasa mekanik cihaz, polinom fonksiyonların değerlerini hatasız bir şekilde hesaplayıp tablolaştırmayı amaçlıyordu. Tam ölçekli bir prototipin finansman ve teknik zorluklar nedeniyle tamamlanamamasına rağmen, Fark Makinesi, karmaşık hesaplamaların otomasyonu konusundaki ilk kapsamlı girişimdi.
Ancak Babbage'ın asıl devrim niteliğindeki tasarımı, Analitik Motor'du (Analytical Engine). 1837'de kavramsallaştırdığı bu cihaz, günümüz bilgisayarlarının neredeyse tüm temel bileşenlerini öngörüyordu. Analitik Motor'un bir "Değirmen" (Mill) adını verdiği merkezi işlem birimi, "Depo" (Store) adını verdiği hafıza birimi, giriş-çıkış birimleri ve en önemlisi, delikli kartlar (punch cards) aracılığıyla beslenen bir programlama sistemi vardı. Bu delikli kartlar fikrini, dokuma tezgahlarını otomatik desenler üretecek şekilde kontrol eden Jacquard tezgahından esinlenerek adapte etmişti.
Analitik Motor asla inşa edilemedi. Babbage'ın zamanının teknolojisi, böylesine karmaşık ve hassas bir mekanik cihazı üretmek için yetersizdi. Ancak fikirleri, bir asır sonra gerçekleşecek olan dijital devrimin habercisiydi. Bu fikirlerin günümüze ulaşmasındaki en kritik isim ise Augusta Ada King, Lovelace Kontesi, kısaca Ada Lovelace'tir. Matematikçi olan Lovelace, Babbage'ın çalışmalarını İtalyancaya çevirirken, makineye eklediği notlarda, Analitik Motor'un yalnızca sayısal hesaplamalar için değil, her türlü sembolü işleyebileceğini, hatta müzik bestelemek veya sanat eserleri yaratmak için kullanılabileceğini öngördü. Bernoulli sayılarının hesaplanması için geliştirdiği algoritma, tarihteki ilk yayınlanmış bilgisayar programı olarak kabul edilir ve Lovelace'ı dünyanın ilk bilgisayar programcısı yapar.
Babbage ve Lovelace'ın vizyonu, salt mekanik hesaplamanın ötesine geçerek, genel amaçlı, programlanabilir bir makine kavramını ortaya atmıştır. Bu kavram, yazılım ve donanım ayrımının teorik temellerini atmıştır. Analitik Motor'un mantıksal mimarisi, veri ve komutların ayrı depolanması (Von Neumann mimarisinin erken bir öngörüsü) ve dış kaynaktan beslenen talimat setleriyle çalışma prensibi, 20. yüzyıldaki elektromekanik ve elektronik bilgisayarların geliştirilmesi için bir yol haritası oluşturmuştur. Ne yazık ki, bu fikirler, uygun teknolojinin ortaya çıkmasını ve delikli kartların endüstriyel bir kontrol aracı haline gelmesini beklemek zorunda kalacaktı.
Delikli Kartların Yükselişi ve Elektromekanik Devrim
19. yüzyılın sonu ile 20. yüzyılın başında, delikli kart teknolojisi, Babbage'ın öngörüsünün ötesine geçerek endüstride yaygın bir kullanım alanı buldu. Bu teknolojinin öncüsü, Amerikalı istatistikçi ve mucit Herman Hollerith idi. 1890 Amerika nüfus sayımının elle işlenmesinin on yıllar alacağı öngörülürken, Hollerith bu soruna elektromekanik bir çözüm geliştirdi. Hollerith Makinesi, üzerinde belirli konumlarda delikler açılmış kartları (yaş, cinsiyet, meslek gibi bilgileri kodlayarak) elektriksel olarak okuyor, veriyi sayıyor ve tablolaştırıyordu. Bu sistem, sayım süresini öngörülenin çok altına indirerek büyük bir başarı elde etti ve veri işleme çağını başlattı.
Hollerith'in başarısı, 1896'da Tabulating Machine Company'nin kurulmasına yol açtı. Bu şirket, bir dizi birleşme ve satın almanın ardından 1924'te International Business Machines yani IBM adını aldı. IBM, delikli kart tabülasyon makinelerini dünya çapında iş dünyasına ve devlet kurumlarına pazarlayarak veri işleme endüstrisinin hakimi haline geldi. Delikli kartlar, neredeyse bir asır boyunca veri girişi, depolama ve programlama için birincil ortam olarak kaldı. Bu dönem, birim kayıt ekipmanı (unit record equipment) olarak adlandırılan ve her bir kartın ayrı bir kaydı temsil ettiği elektromekanik sistemlerin altın çağıydı.
1930'ların sonlarına doğru, delikli kart teknolojisi ile artan hesaplama ihtiyaçları, daha karmaşık ve güçlü makinelerin geliştirilmesini tetikledi. Bu alandaki dönüm noktası projelerden biri, Alman mühendis Konrad Zuse tarafından Nazi Almanyası'nda, göreceli izolasyon içinde geliştirilen seri makinelerdi. 1941'de tamamlanan Z3, dünyanın ilk çalışan, programlanabilir, otomatik bilgisayarı olarak kabul edilir. Tamamen elektromekanik röleler (açılıp kapanan metal anahtarlar) kullanan Z3, ikili sayı sistemi ile çalışıyor ve deliklı film şeritleriyle programlanabiliyordu. Savaş koşulları nedeniyle Batı dünyasında pek bilinmeyen Zuse'nin çalışmaları, bilgisayar tarihindeki kritik bir erken adımı temsil eder.
Z3'ün ortaya çıktığı dönemde, dünyanın farklı yerlerinde benzer elektromekanik rüyalar peşinde koşuluyordu. Bu gelişmeleri özetlemek, dönemin teknolojik çeşitliliğini anlamak açısından faydalıdır.
| Makine Adı | Geliştirici (Ülke) | Tamamlanma Yılı | Önemli Özellik |
|---|---|---|---|
| Atanasoff-Berry Computer (ABC) | John Atanasoff & Clifford Berry (ABD) | 1942 | İkili sistemi ve vakum tüplerini kullanan ilk elektronik, ancak özel amaçlı makine. |
| Harvard Mark I (IBM ASCC) | Howard Aiken & IBM (ABD) | 1944 | Devasa boyuttaki, tamamen elektromekanik (röleli), programlanabilir hesap makinesi. |
| Z3 | Konrad Zuse (Almanya) | 1941 | İlk çalışan, programlanabilir, otomatik (elektromekanik) bilgisayar. |
| Colossus | Tommy Flowers (BK) | 1943 | Alman şifrelerini kırmak için geliştirilen, vakum tüplü, elektronik, özel amaçlı makine. |
İlk Elektronik Devler: Vakum Tüplü Bilgisayarlar
Elektromekanik rölelerin fiziksel hareketi ve nispeten yavaş çalışma hızları, bilgisayarların kapasitesini ciddi şekilde sınırlıyordu. Gerçek devrim, elektrik sinyallerini mekanik parça hareketi olmadan, ışık hızına yakın bir hızda anahtarlayabilen vakum tüpünün (elektron tüpü) benimsenmesiyle geldi. İkinci Dünya Savaşı'nın acil ihtiyaçları, özellikle balistik atış tablolarının hesaplanması ve karmaşık şifrelerin kırılması, bu teknolojinin finansmanını ve gelişimini hızlandırdı. Bu dönemde inşa edilen devasa makineler, birinci nesil bilgisayarlar olarak sınıflandırılır ve elektronik çağın başlangıcını işaret eder.
Bu neslin en ünlü ve etkili temsilcisi, 1946'da Pennsylvania Üniversitesi'nde John Presper Eckert ve John William Mauchly önderliğinde tamamlanan ENIAC'tır (Electronic Numerical Integrator and Computer). ENIAC, savaş sona erdikten sonra açıklanmış olsa da, balistik hesaplamalar için tasarlanmıştı. Yaklaşık 18.000 vakum tüpü, 70.000 direnç ve 10.000 kapasitörden oluşan bu canavar, 167 metrekarelik bir alanı kaplıyor ve 150 kilovat kadar güç tüketiyordu. ENIAC'ın en çarpıcı yanı, elektromekanik makinelere kıyasla sahip olduğu inanılmaz hızdı; bir balistik yörünge hesaplamasını bir insanın yapacağı süreden 2400 kat daha hızlı, yani saniyeler içinde tamamlayabiliyordu.
Ancak ENIAC'ın önemli bir kusuru vardı: programlanabilirliği son derece zahmetliydi. Yeni bir problem için programlamak, makinenin ön panelindeki yüzlerce kabloyu ve anahtarı fiziksel olarak yeniden bağlamayı gerektiriyor, bu işlem günler alabiliyordu. Bu sorunu çözmek için, bilgisayar mimarisinde temel bir ilerleme kaydedildi. Matematikçi John von Neumann, 1945'te yayınladığı "First Draft of a Report on the EDVAC" başlıklı tarihi raporda, depolanmış program kavramını detaylandırdı. Bu mimaride, hem veriler hem de çalıştırılacak talimatlar (program) aynı bellek biriminde saklanıyordu. Bu, makinenin fiziksel olarak yeniden kablolanmasına gerek kalmadan, programın hızlı bir şekilde değiştirilmesine olanak tanıyordu. "Von Neumann mimarisi" olarak anılan bu tasarım, günümüzdeki neredeyse tüm bilgisayarların temelini oluşturur.
ENIAC'tan sonra, depolanmış program kavramını uygulayan bir dizi vakum tüplü bilgisayar geliştirildi. 1949'da İngiltere'de tamamlanan EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), depolanmış programlı ilk pratik bilgisayar oldu. 1951'de ABD'de tamamlanan UNIVAC I (Universal Automatic Computer) ise ticari olarak üretilen ve satılan ilk genel amaçlı elektronik bilgisayardı. CBS televizyonunda 1952 ABD başkanlık seçimlerinin sonucunu, anketlerden çok önce doğru bir şekilde tahmin etmesi, halkın gözünde bilgisayarın gücünü ve potansiyelini somutlaştıran önemli bir an oldu.
Vakum tüplü bilgisayarlar, olağanüstü bir hesap gücü sağlamış olsalar da, ciddi dezavantajları vardı. Bunları aşağıdaki listede görmek mümkündür.
- Boyut ve Güç Tüketimi: Çok büyük alanlar kaplıyor, bir bina katını doldurabiliyor ve aşırı miktarda elektrik tüketiyorlardı.
- Güvenilirlik Sorunları: Binlerce vakum tüpünden oluşan sistemlerde, neredeyse her gün bir veya birkaç tüp arızalanıyor, bu da sık ve uzun süreli bakım/onarım gerektiriyordu.
- Isı Üretimi: Vakum tüpleri çok fazla ısı yaydığından, devasa soğutma sistemlerine ihtiyaç duyuluyordu.
- Yüksek Maliyet: Üretim, bakım ve işletme maliyetleri çok yüksekti, bu da kullanımlarını büyük devlet kurumları, üniversiteler ve büyük şirketlerle sınırlıyordu.
Transistörün Devrimi ve İkinci Nesil Bilgisayarlar
Vakum tüplerinin fiziksel kısıtlamaları, bilgisayar teknolojisinin ilerleyişinde ciddi bir engel oluşturuyordu. Bu soruna radikal çözüm, 1947 yılında Bell Laboratuvarları'nda William Shockley, John Bardeen ve Walter Brattain tarafından icat edilen transistörden geldi. Transistör, vakum tüpü ile aynı anahtarlama ve sinyal yükseltme işlevlerini görebilen, ancak çok daha küçük, daha dayanıklı, daha az güç tüketen ve neredeyse anında çalışan katı hal (solid-state) bileşeniydi. Bu buluş, elektronik devriminin temel taşı olacak ve mühendislerin çok daha küçük, güvenilir ve verimli devreler inşa etmesine olanak tanıyacaktı.
1950'lerin sonlarına doğru transistörler ticari olarak ulaşılabilir hale geldikçe, bilgisayar üreticileri vakum tüplerinin yerini almaya başladılar. Transistörlerle inşa edilen bilgisayarlar, ikinci nesil olarak adlandırıldı. Bu geçişin en dikkat çekici örneklerinden biri, IBM'in 1959'da piyasaya sürdüğü IBM 1401 idi. Orta ölçekli bir iş bilgisayarı olan 1401, delikli kartlarla çalışıyordu ve ticari veri işlemede (maaş bordrosu, fatura kesme, envanter kontrolü) olağanüstü bir popülerlik kazandı. Transistörler sayesinde vakum tüplü seleflerinden çok daha küçük, sessiz ve bakım gerektirmeyen bu makineler, bilgisayarın büyük kuruluşların dışına çıkıp iş dünyasının ana akımına girmesini sağladı. Bu dönemde aynı zamanda yüksek seviyeli programlama dillerinin ortaya çıkışına tanık olundu. Makine dili (1'ler ve 0'lar) veya assembly diliyle programlama, karmaşık, hataya açık ve zaman alıcı bir süreçti. FORTRAN (1957, bilimsel ve mühendislik hesaplamaları için) ve COBOL (1959, ticari veri işleme için) gibi dillerin geliştirilmesi, programcıların insan diline daha yakın ifadeler (komutlar) kullanarak kod yazabilmesini ve bu kodların bir derleyici aracılığıyla makine diline çevrilmesini sağladı. Bu, yazılım geliştirme verimliliğinde dev bir sıçrama anlamına geliyordu ve bilgisayarların kullanım alanlarını daha da genişletti.
İkinci nesil, ayrıca, bir bilgisayarın aynı anda birden fazla programı çalıştırmasını sağlayan ilkel işletim sistemlerinin ve toplu işlem (batch processing) kavramlarının da ortaya çıktığı dönemdi. Bilgisayar gücü hala çok değerli bir kaynaktı ve bu tür sistemler, pahalı donanımın boşta kalma süresini en aza indirmeyi amaçlıyordu. Transistör tabanlı sistemler, güvenilirlikleri ve nispeten düşük maliyetleri sayesinde, üniversiteler, araştırma laboratuvarları ve giderek daha fazla şirket tarafından benimsendi ve bilgisayar endüstrisinin hızla büyümesinin temelini attı.
Entegre Devreler ve Mikroişlemcilerin Yaygınlaşması
Transistör devrimi, bilgisayarları küçültmüş olsa da, karmaşık sistemler hala binlerce ayrı transistörün, direncin ve diğer bileşenlerin elle lehimlenerek bir devre kartına monte edilmesini gerektiriyordu. Bu, üretimi zorlaştırıyor, maliyeti artırıyor ve güvenilirliği düşürüyordu. 1958'de Jack Kilby (Texas Instruments) ve 1959'da Robert Noyce (Fairchild Semiconductor) tarafından bağımsız olarak geliştirilen entegre devre (Integrated Circuit - IC veya "çip"), bu sorunu kökten çözdü. Bir entegre devre, tek bir yarı iletken malzeme (genellikle silikon) üzerine birden fazla transistör ve diğer elektronik bileşenin yerleştirilip birbirine bağlandığı minyatür bir elektrik devresiydi. Bu icat, üçüncü nesil bilgisayarların temelini oluşturdu ve ölçeklenebilirliğin önünü açtı.
Entegre devreler, Moore Yasası olarak bilinen gözlemin temelini attı. Intel'in kurucularından Gordon Moore, 1965'te, bir çip üzerine yerleştirilebilecek transistör sayısının her iki yılda bir yaklaşık iki katına çıkacağını (daha sonra revize edilerek 18-24 aya çevrildi) öngördü. Bu yasa, bilgi işlem gücündeki katlanarak artışı ve maliyetlerdeki düşüşü tanımlayacak, teknoloji endüstrisinin kuzey yıldızı haline gelecekti. Entegre devreler, bilgisayarları önceki nesillere göre katlanarak daha güçlü, küçük, ucuz ve enerji verimli hale getirdi. Bu dönemin amiral gemisi sistemleri, IBM'in System/360 ailesi gibi, entegre devreler kullanan ve farklı boyutlardaki makineler arasında yazılım uyumluluğu sunan ana bilgisayarlardı.
Ancak asıl dönüştürücü adım, 1971 yılında Intel mühendisi Ted Hoff'un liderliğinde geliştirilen Intel 4004 mikroişlemcisiyle atıldı. 4004, bir hesap makinesi için özel olarak tasarlanmıştı, ancak onu özel kılan şey, tüm merkezi işlem biriminin (CPU) fonksiyonlarını tek bir entegre devre üzerinde toplamasıydı. Dünyanın ilk ticari tek çipli mikroişlemcisi olan 4004, 2300 transistör içeriyordu ve bir ENIAC'ın işlem gücünü, yaklaşık bir posta pulu boyutundaki bir çipe sığdırıyordu. Bu buluş, dördüncü nesil bilgisayarların, yani mikroişlemci tabanlı sistemlerin başlangıcını işaret etti.
Mikroişlemci, bilgisayarın "beynini" standartlaştırıp kitlesel olarak üretilebilir hale getirerek her şeyi değiştirdi. Artık bilgisayar gücü, sadece büyük kuruluşların erişebildiği bir kaynak olmaktan çıkıp, sayısız cihaza ve uygulamaya gömülebilir hale geldi. Mikroişlemcilerin farklı türleri ve kapasiteleri, onların nerelerde kullanıldığını belirledi.
| Mikroişlemci Türü/Örneği | Çıkış Yılı | Önemli Özelliği | Başlıca Kullanım Alanı |
|---|---|---|---|
| Intel 4004 | 1971 | 4-bit, ilk ticari mikroişlemci | Hesap makineleri, basit kontrol sistemleri |
| Intel 8080 | 1974 | 8-bit, ilk yaygın kullanılan mikroişlemci | İlk kişisel bilgisayarlar (Altair 8800), trafik ışıkları |
| Motorola 6800 | 1974 | 8-bit, daha basit mimari | Endüstriyel kontrol, otomotiv, erken ev bilgisayarları |
| MOS Technology 6502 | 1975 | 8-bit, çok ucuz ve verimli | Apple II, Commodore 64, Atari 2600 oyun konsolu gibi ikonik ev bilgisayarları ve oyun sistemleri. |
| Zilog Z80 | 1976 | 8-bit, Intel 8080 ile uyumlu ve gelişmiş | CP/M işletim sistemi makineleri, Sinclair ZX Spectrum, gömülü sistemler. |
Kişisel Bilgisayar Döneminin Başlangıcı
Mikroişlemcilerin ortaya çıkışı, ucuz ve erişilebilir bir bilgisayarın mümkün olabileceği fikrini ateşledi. Bu fikir, önce "hobiist" veya "meraklı" pazarında hayat buldu. 1975'te piyasaya sürülen Altair 8800 kiti, ilk ticari kişisel bilgisayar olarak kabul edilir. MITS şirketi tarafından satılan Altair, Intel 8080 mikroişlemcisine dayanıyordu ve montaj için lehim gerektiriyordu; ne klavyesi ne ekranı ne de depolama birimi vardı. Kullanıcılar, ön paneldeki anahtarlarla makine dilinde program girer ve yanıp sönen ışıklarla sonuçları okurlardı. Ancak basitliğine rağmen, Altair büyük bir ilgi gördü ve PC devriminin kıvılcımını çaktı. Hatta Microsoft'un kurucuları Bill Gates ve Paul Allen, Altair için BASIC programlama dilinin bir versiyonunu yazarak şirketlerini kurdular.
Altair'in ilkel doğası, kullanıcı dostu ve tam montajlı kişisel bilgisayarlar için bir pazar boşluğu yarattı. Bu boşluğu dolduran en önemli isimlerden biri, Steve Jobs ve Steve Wozniak'ın 1976'da kurduğu Apple Computer oldu. Wozniak'ın tasarladığı Apple I, tek bir devre kartı olarak satılan bir bilgisayardı, ancak onu takip eden Apple II (1977) bir efsane yarattı. Renkli grafikler, ses ve bir klavyeyle bütünleşik, plastik bir kasaya sahip olan Apple II, genişletme yuvaları sayesinde çevre birimleri eklenebilen ilk başarılı tüketici dostu kişisel bilgisayardı. VisiCalc adlı ilk elektronik tablo programının Apple II için piyasaya sürülmesi, onu iş dünyası için vazgeçilmez bir araç haline getirdi ve "killer app" kavramını doğurdu.
Apple II'nin başarısı, dev şirketlerin dikkatini kişisel bilgisayar pazarına çekti. 1981 yılında, sektör devi IBM, ilk kişisel bilgisayarını piyasaya sürdü: IBM PC. IBM, zaman kazanmak ve maliyeti düşürmek için agresif bir strateji izledi: ana bileşenleri (Intel 8088 mikroişlemci gibi) dışarıdan tedarik etti ve işletim sistemini (PC-DOS) küçük bir yazılım şirketi olan Microsoft'tan lisansladı. Daha da önemlisi, açık mimarisini yayınladı, böylece üçüncü taraf şirketler PC için donanım ve yazılım geliştirebilecekti. Bu karar, muazzam bir uyumluluk ve genişleme ekosisteminin doğmasına yol açtı. IBM PC'nin büyük şirketler nezdindeki itibarı ve bu açık ekosistem, onu kişisel bilgisayar endüstrisinde hakim standart haline getirdi. "IBM Uyumlu" bilgisayarlar pazarı, sayısız klon üreticisini (Compaq, Dell vb.) doğurdu ve Microsoft'un MS-DOS ve sonrasında Windows işletim sistemlerinin küresel hakimiyetinin temellerini attı.