ההיסטוריה של המחשב

מעטים הדברים שמגדירים את העולם של ראשית המאה ה-21 יותר מהמחשבים שנמצאים בכל מקום – החל בטלפון החכם שבכיס וכלה במחשבים ובשרתים שמעבירים כספים בלחיצה על מקש או מטיסים מטוסים. רבים מאיתנו מבלים את רוב שעות היום בעבודה מול מחשב, ולאחר מכן צורכים תכני בידור בבית שמגיעים אלינו גם הם באמצעות מחשבים.

כיום אנו מתייחסים למחשב במידה רבה כמסוף גישה לאינטרנט, לצורך תקשורת וצריכת מידע ובידור, אולם המחשבים הראשונים נראו אחרת לחלוטין ושירתו מטרות אחרות. בראשיתם הם לא חוברו למסכים ולמקלדות ולא הריצו תוכנות נוחות לתפעול, אלא היו מכונות ענק שתפסו חדרים שלמים וסייעו לממשלות ולמדענים לבצע חישובים מורכבים שעד אז נעשו ידנית.

"מחשב" מחלוקי נחל

אבות-אבותיו של המחשב המודרני הם לוחות שסייעו בחשבון פשוט. לא ידוע מתי ואיפה הם הומצאו לראשונה, אך ברור שהם היו בשימוש כבר לפני אלפי שנים: בחפירות ארכיאולוגית ביוון נמצא לוח אבן מחורץ בן כ-2,500 שנה, שעליו אפשר לבצע חישובים באמצעות גרגירי אבן או מתכת ששימשו כחרוזים – מעין חשבונייה קדומה. עם השנים החשבוניות השתכללו לצורה המוכרת לנו כיום, עם חרוזים המושחלים על חוטים או על מוטות דקים ממתכת או מעץ, והיו לכלי החישוב העיקרי במשך שנים רבות.

במאה ה-17 פיתח המתמטיקאי והפיזיקאי הצרפתי הנודע בלז פסקל (Pascal) את המחשבון המכני הראשון, כדי לסייע לאביו בעבודתו כפקיד מס. ה"פסקלין", כפי שקרא לו, הורכב מסדרה של גלגלי שיניים מחוברים שבסיבובם ביצעו פעולות של חיבור וחיסור.

המחשב המכני הראשון נוצר כדי לסייע בחישוב מס. ה"פסקלין" שפיתח פסקל | ויקיפדיה, David.Monniaux

22 שנה לאחר מכן שכלל אבי החשבון הדיפרנציאלי גוטפריד וילהלם לייבניץ (Leibniz) את המכונה של פסקל כשהחליף את גלגלי השיניים בגלילים עם פסים מדורגים, במה שמכונה כיום גלגל לייבניץ. כשהגלילים הסתובבו הם הניעו גלגל שיניים שביצע את החישוב. השדרוג הוסיף לרשימת הפעולות שניתן היה לבצע עם המכונה גם את הכפל, על ידי חיבור סדרתי של מספרים, ובאופן דומה גם חילוק ואפילו הוצאת שורש. בנוסף לייבניץ פיתח גם את החשבון הבינארי, שבו כל מספר מיוצג כרצף של הספרות 0 ו-1. לימים החשבון הזה יהיה לשיטה המתמטית העומדת בבסיס המחשוב המודרני.

החליף את גלגלי השיניים של פסקל בגלילים עם פסים מדורגים. גלגל לייבניץ | ויקיפדיה, Kolossos

המחשבונים המכניים של פסקל ולייבניץ נותרו בחזית הטכנולוגיה עד המאה ה-19, אז החל המתמטיקאי האנגלי האקסצנטרי צ'רלס בבג' (Babbage) בפיתוח מנוע ההפרשים – מכונת ענק של אלפי גלגלי שיניים ורכיבים עדינים אחרים שתפקידה היה לחשב טבלאות מתמטיות ששימשו ספינות לניווט, תהליך שעד אז נעשה בצורה ידנית, מפרכת ורוויית שגיאות. המימון הממשלתי שקיבל בבג' אזל לפני שהשלים את המכונה, אך דמיונו הקודח הגה בינתיים מכונה מורכבת ומתוחכמת אף יותר: המנוע האנליטי, שתוכנן להריץ חישובים בכוח הקיטור. למנוע הזה היו מנגנון קלט – שנעזר בכרטיסים מנוקבים – מעבד, זיכרון ומנגנון פלט, כך שלהלכה מדובר במחשב לכל דבר. בהיעדר טכנולוגיית ייצור מתאימה התוכניות נשארו על הנייר, אך החזון הציב את בבג' כאחד מחלוצי המחשוב. מי שנחשבת למתכנתת הראשונה בהיסטוריה הייתה המתמטיקאית הבריטית עדה לאבלייס שעבדה בצמוד לבבג', וזיהתה את הפוטנציאל במנוע לביצוע מטלות מורכבות מעבר לחישובים רגילים. לאבלייס חזתה את המחשב הרב-תכליתי וכתבה אלגוריתם שירוץ על המנוע על מנת לבצע חישוב מתמטי מורכב, מה שכיום נחשב לתוכנית המחשב הראשונה בהיסטוריה.

עזר בחישוב טבלאות מתימטיות לניווט ספינות. מנוע ההפרשים של בבג' | ויקיפדיה, Andrew Dunn

המחשב החשמלי הראשון

לקראת סוף המאה ה-19 חיפש המהנדס הרמן הולרית' (Hollerith) דרך לייעל את מפקד האוכלוסין של ארצות הברית, שהאוכלוסייה הגדלה הפכה לתהליך מפרך וארוך. הוא פיתח מכונה חשמלית שביצעה חישובים ופלטה את התוצאות לכרטיסים מנוקבים, וכך קיצרה את משך חישוב המפקד משבע שנים לחודשים ספורים. בעקבות ההצלחה הקים הולרית' חברת מכונות חישוב שלימים תהפוך ל-IBM.

בתקופה ההיא ארצות הברית החלה לתפוס את מקומה כמעצמה צבאית וכלכלית, וכבשה גם את התפקיד המוביל בפיתוח המחשב: את מכונות החישוב המתקדמות ביותר של ראשית המאה ה-20 פיתח המדען ונוואר בוש (Bush) במסגרת מחקר צבאי. אך אלה היו עדיין מכונות אנלוגיות, כלומר מבוססות על רכיבים מכניים.

באותו הזמן שקד באנגליה המתמטיקאי ומדען המחשב אלן טיורינג על פענוח התיאוריה העומדת בבסיס המחשב. ב-1936 הוא פרסם מאמר פורץ דרך שעסק בסוגיות יסוד הנוגעות ליכולות חישוב של מחשבים. הוא פיתח מודל תיאורטי מופשט של מחשב, המוכר היום כ"מכונת טיורינג", ועסק בשאלה אילו בעיות אפשר לפתור באמצעות מחשב.

אלו בעיות אפשר לפתור בעזרת מחשב? מודל של מכונת טיורינג | ויקיפדיה, GabrielF

הסוף לגלגלי השיניים

במהלך מלחמת העולם השנייה השקיעו המדינות הלוחמות משאבים רבים בפיתוח מכונות חישוב שיסייעו במטלות צבאיות כמו הצפנה וחישובים בליסטיים לארטילריה. את מקומם של המחשבים האנלוגיים בעלי הרכיבים המכניים החליפו בהדרגה מחשבים דיגיטליים המבוססים על השיטה הבינארית שפיתח לייבניץ במאה הקודמת.

במחשב דיגיטלי, המידע נשמר ומעובד בצורה חשמלית, כך שמתג במצב כבוי משמעותו "0" ומתג במצב דלוק משמעותו "1". המחשבים של היום פועלים על עיקרון דומה, אך בניגוד אליהם המתגים הראשונים התבססו על רכיבים אלקטרומכניים גדולים ומגושמים, וחדרים שלמים נדרשו בשביל מחשב שכוח החישוב שלו היה שקול למחשבון כיס של ימינו.

באוניברסיטת הרווארד בארצות הברית נבנה בחסות IBM מחשב דיגיטלי ענק שהתפרש לאורך של 15 מטר, ובו 3,304 מתגים אלקטרומכניים רועשים, 800 קילומטר של חוטים, ו-175 אלף חיבורים. בבריטניה, צוות חוקרים שכלל את טיורינג פיתח את הקולוסוס – מחשב שנועד לפענח צפנים גרמניים. הקולוסוס כבר היה מחשב דיגיטלי אלקטרוני, שמתגיו היו שפופרות ריק – מעין מכלי זכוכית בגודל של אגודל – שהיו קטנות ומהירות יותר מהמתגים האלקטרומכניים.

קצת אחרי סוף המלחמה, ב-1946, נבנה בארצות הברית המחשב ENIAC ( או בשמו המלא Electronic Numerical Integrator and Calculator), שהכיל 80 אלף שפופרות ריק ואיכלס מרתף של כ-135 מטר מרובע. טכנולוגיית השפופרות שדרגה מהותית את יכולות החישוב, ובעזרתה ENIAC ביצע 5,000 פעולות בשנייה ונחשב למחשב הדיגיטלי הרב-תכליתי הראשון בעולם. עם זאת, השפופרות צרכו כמויות אדירות של אנרגיה, ו-ENIAC זלל חשמל בקצב של 150 קילוואט – כמו 75 דודים חשמליים.

המחשב הדיגיטלי הרב-תכליתי הראשון בעולם. עובדות מפעילות את המחשב ENIAC | ויקיפדיה, United States Army

ב-1955 נחנך המחשב הראשון בישראל במכון ויצמן למדע. הוא נקרא ויצק (Weizmann Automatic Computer, או WEIZAC בקיצור) והתבסס על טכנולוגיה דומה ל-ENIAC. ויצק היה אחד המחשבים המתקדמים בעולם בזמנו, כך שכבר מראשיתה הייתה ישראל חלוצה בתחום המחשבים.

אחד המחשבים המתקדמים בעולם בזמנו. ויצק, המחשב הראשון בארץ | ויקיפדיה, Yuval Madar

מהפכת הטרנזיסטורים מגיעה

טכנולוגיית השפופרות סיפקה קפיצת מדרגה משמעותית, אך עדיין המחשבים היו ענקיים ומסורבלים ופלטו המון חום, ולכן לא היה מעשי להגדיל את מספר המתגים כדי להשיג ביצועים טובים יותר. נדרשה פריצת דרך מדעית משמעותית שתאפשר מתגים קטנים וחסכוניים אנרגטית.

לפתרון הבעיה נרתמו שלושה פיזיקאים ממעבדות חברת הטלפונים האמריקאית בך: ג'ון ברדין (Bardeen), וולטר ברטיין (Brattain) וויליאם שוקלי (Shockley), שפיתחו ב-1947 את הטרנזיסטור. הטרנזיסטור הוא רכיב אלקטרוני שיכול להימצא במצב "פתוח", שבו זרם חשמלי יכול לעבור דרכו, או במצב "סגור", כשהמעבר בין המצבים נעשה על ידי אות חשמלי. התכונות האלה אפשרו לו לשמש מתג אלקטרוני קטן בהרבה משפופרת הריק ולצרוך הרבה פחות חשמל.

הטרנזיסטור הראשון היה מבוסס על היסוד גרמניום, אולם כיום טרנזיסטורים עשויים בעיקר מצורן (סיליקון), שהפך לשם נרדף לעולם המחשבים. על פיתוחו זכו שלושת ממציאיו בפרס נובל.

אחת מפריצות הדרך המשמעותיות ביותר בתחום המחשבים. העתק של הטרנזיסטור הראשון | ויקיפדיה, Lucent Technologies

שוקלי לא נח על זרי הדפנה והקים בפרבר המנומנם פאלו אלטו בקליפורניה חברה לפיתוח טרנזיסטורים. שמונה מהנדסים מובילים שפרשו מהחברה שלו הקימו בתורם את חברת פרצ'יילד (Fairchild) שפיתחה שיטה לחבר אלפי טרנזיסטורים ל"מעגל המשולב" הראשון. שניים ממייסדי פרצ'יילד, גורדון מור ורוברט נויס, יקימו בהמשך את חברת השבבים אינטל – שנותרה גם כיום אחת מחברות המחשבים החשובות בעולם. פאלו אלטו וסביבתה הפכו בתוך כך לבירת תעשיית המחשבים בארצות הברית, במה שמכונה כיום "עמק הסיליקון".

בשנות ה-70 תעשיית המחשבים התמקדה בשכלול הטכנולוגיה על ידי מזעור הרכיבים ושיפור האופן שבו הם משתלבים יחד. במקביל התרחב הייעוד של המחשב והוא הפך ממכונת מחקר ותעשייה למכשיר פנאי ביתי. תרם לכך מאוד המעבד שפיתחה אינטל – רכיב הליבה של המחשב שמבצע את כל פעולות החישוב.

איפשר לראשונה להרכיב מחשבים ביתיים. מעבד i486SX של אינטל | ויקיפדיה, Sergei Frolov

הכלי השימושי הזה אִפשר לראשונה לחובבי מחשבים להרכיב לעצמם מחשבים ביתיים. חובב אחד כזה היה סטיב ווזניאק (Wozniak), שיחד עם חברו סטיב ג'ובס (Jobs) החל לייצר מחשבים לקהל הרחב על בסיס מעבדי אינטל. השניים ייסדו את חברת אפל, שמחשביה הראשונים נחלו הצלחה מסחרית ונמכרו ברבבות לעסקים קטנים, לבתי ספר ולאנשים פרטיים. ווזניאק וג'ובס השכילו לארוז את רכיבי המחשב במארז נוח ואסתטי עם תוכנות שימושיות, וכך יצרו לראשונה מחשבים שקרצו לציבור הרחב.

בארבעת העשורים שחלפו מאז רכיבי המחשב המשיכו להתכווץ בהתמדה, לפי חוק מור הקובע כי מספר הטרנזיסטורים במעבד יוכפל כל שנתיים ומהירות המחשבים תגדל בהתאם. המעבד הראשון של אינטל, שיוצר ב-1971, הכיל 2,300 טרנזיסטורים בגודל של 10 מיקרון (מיליונית מטר). ב-2012 אינטל כבר השיקה מעבד של 1.4 מיליארד טרנזיסטורים בגודל של 22 ננומטר (מיליארדית מטר). כלומר, הטרנזיסטורים קטנו פי אלף ומספרם במעבד גדל פי מיליון, ובזכות זאת מהירותו גדלה פי 30 אלף.

פריצת דרך נוספת במחשבים חלה בתחום מערכות ההפעלה: תוכנות שתפקידן לגשר בין החומרה של המחשב לתוכנות שירוצו עליו. בסוף שנות ה-70 הקים ביל גייטס (Gates), סטודנט לשעבר מאוניברסיטת הרווארד, את מיקרוסופט, שפיתחה ושיווקה בתחילה את מערכת ההפעלה דוס (DOS) ובהמשך את "חלונות". מערכות ההפעלה של מיקרוסופט הפכו לסטנדרט עולמי שסיפק כר פורה לפיתוח תוכנות פופולריות המתאימות לרוב מחשבי העולם. מערכות הפעלה ושכלול המחשבים הולידו עולם שלם של תוכנות, שאפשרו למחשבים לחדור לכל תחומי הפעילות האנושית.

סיפקה כר פורה לפיתוח תוכנות פופולריות המתאימות לרוב מחשבי העולםווינדוס 98 | ויקיפדיה, Emarsee

איים ברשת

ואז הגיעה האינטרנט, רשת המחשבים העולמית, ושוב שינתה את עולם המחשבים מהיסוד.

רשתות תקשורת בין מחשבים פותחו כבר בשנות ה-60, לצרכים אקדמיים וצבאיים בארצות הברית. בסוף שנות ה-80 רשתות שונות אוחדו לאינטרנט, שהפכה בעשור הבא לרשת עולמית משמעותית במיוחד. כיום מידע מכל קצוות העולם משותף על גבי רשת האינטרנט, שמגדירה במידה רבה את האופן שבו אנו משתמשים במחשבים.

ומה בעתיד? המחשב ממשיך להשתכלל, ובמעבדות של ענקיות טכנולוגיה כמו אינטל, אפל וסמסונג מפתחים את המחשבים של העשור הבא. בינתיים המחשוב חודר לעוד ועוד תחומים, כגון רכבים אוטונומיים.

אחד הכיוונים המסקרנים והמבטיחים בתחום הוא המחשוב הקוונטי, שכרוך בשינוי תפיסתי ועשוי לייצר יכולות חישוב חסרות תקדים. במחשבים מסורתיים הרכיב היסודי נקרא ביט, ספרה בינארית שיכולה להיות 0 או 1 ומבוטאת בטרנזיסטור כמצב סגור או פתוח. במחשב קוונטי מחליף אותו הביט הקוונטי, המכונה קיוביט. בזכות התכונות הקוונטיות, הקיוביט יכול להיות במצבי 0 ו-1, אך גם במצבי ביניים ייחודיים שאינם 0 ואינן 1, כך שמדובר בשינוי בתפיסה שעליה מושתת המחשב. בדומה למהפכה שהתרחשה כשגלגלי השיניים התחלפו במתגים חשמליים ונולד המחשב המודרני, המחשב הקוונטי יהיה מסוגל ככל הנראה לבצע חישובים שאינם אפשריים אפילו במחשב המסורתי החזק ביותר.

יוכל לבצע חישובים שאינם אפשריים במחשב מסורתי. "מלכודת יונים" המשמשת במחשב קוואנטי | ויקיפדיה, Y. Colombe/NIST

המחשוב קוונטי עדיין בחיתוליו, אך הציפייה היא שכבר בשנים הקרובות מחשבים כאלה יעקפו בכוחם את המחשבים המסורתיים. אומנם לא נראה שהמחשב הקוונטי יכנס לכל בית, אך מחשבים קוונטיים במעבדות יאפשרו חישובים מורכבים ויהיו נגישים באמצעות האינטרנט גם לציבור הרחב.

התקווה היא שמחשבים קוונטיים יוכלו לבצע חישובים שהוכחו כמסובכים מדי עבור מחשבים מסורתיים, כמו הדמיות של תהליכים כימיים מורכבים, וכך לסייע לפיתוח תרופות חדשניות, סוללות חזקות ועוד כהנה וכהנה. כך, פעם נוספת, פריצת דרך טכנולוגית תסייע לקדם את הטכנולוגיה, הרפואה והמדע על ידי ביצוע חישובים מורכבים שהיום הם בגדר חלום.