Tietokone

Tietokone on laite, joka käsittelee numeeris-loogista tietoa ohjelmointinsa mukaisesti. Arkikielessä tietokoneella tarkoitetaan yleensä yleiskäyttöistä laitetta, joka on tarkoitettu suorittamaan monenlaisia tietojenkäsittelytehtäviä. Myös esimerkiksi pelikonsolit, matkapuhelimet ja taskulaskimet ovat perusluonteeltaan täysiverisiä tietokoneita, vaikka erikoistuneiden käyttötarkoitustensa takia niitä ei sellaisiksi yleensä kutsuta.

Eräs tietokoneen matemaattinen malli on Turingin kone, jonka kehitti englantilainen matemaatikko Alan Turing. Tietojenkäsittelyn ekvivalenssiperiaatteen mukaan kaikki tietokoneet pystyvät suoriutumaan samoista tehtävistä, mikäli käytössä on riittävästi tallennustilaa ja aikaa. Jos siis koneella tai formaalilla järjestelmällä (esimerkiksi ohjelmointikielellä) voi toteuttaa Turingin koneen, sillä voi periaatteessa toteuttaa myös minkä tahansa algoritmin tai ohjelman.

Tietokoneiden edeltäjinä voidaan pitää yhtäältä reikäkorttien käsittelyyn tarkoitettuja reikäkorttikoneita ja toisaalta esimerkiksi mekaanisia laskimia. Ensimmäiset varsinaiset ohjelmoitavat tietokoneet rakennettiin 1940-luvulla ja niitä käytettiin muun muassa toisen maailmansodan aikaan salakirjoitusten murtamiseen (brittiläinen Colossus), ohjusten ratojen laskentaan (amerikkalainen ENIAC) ja lentokonesuunnittelun lujuuslaskentoihin (saksalainen Z3).

Tietokoneen toiminta

Vaikka tietokoneen pystyykin toteuttamaan lukemattomilla tekniikoilla, valtaosa tietokoneista on kautta historian perustunut elektronisiin piireihin, joiden alkeellisimmat perusosat suorittavat Boolen algebraan kuuluvia perusoperaatioita. Koska Boolen algebra perustuu kahteen totuusarvoon, on luontevaa käyttää niitä kaiken käsiteltävän tiedon ilmaisemiseen: esimerkiksi lukuja on teknisesti yksinkertaisinta käsitellä, jos ne on esitetty binäärijärjestelmän avulla. Yksittäisestä totuusarvosta (binäärijärjestelmän numerosta 1 tai 0) käytetään nimitystä bitti.

Useimmat tietokoneet toteuttavat John von Neumannin mallia, jossa sekä ohjelma että sen käsittelemä tieto ovat muistiin tallennettua dataa. Tietokone suorittaa ohjelmaa yleensä lukemalla peräkkäisiä muistipaikkoja ja tulkitsemalla lukemansa bittijonot konekielisiksi käskyiksi. Konekielikäsky suorittaa yleensä jonkin yksinkertaisen alkeisoperaation, kuten bittijonon lukemisen muistipaikasta, kahden bittijonon välisen yhteenlaskun tai ohjelman suoritusosoitteen ehdollisen vaihtamisen.

Konekielikäskyjä suorittavaa tietokoneen osaa kutsutaan suorittimeksi eli prosessoriksi, joka on nykyään yleensä muutaman neliösenttimetrin kokoinen integroitu piiri. Henkilökohtaisissa tietokoneissa on tyypillisesti vain yksi suoritin, mutta suurissa palvelimissa ja supertietokoneissa niitä voi olla jopa useita tuhansia.

Suorittimien lisäksi tietokoneessa on yleensä myös muita piirejä, jotka suorittavat erikoistuneempia tietojenkäsittelytehtäviä ja vapauttavat siten varsinaiset suorittimet näistä tehtävistä. Esimerkiksi

levyohjain siirtää tietoa keskusmuistin ja kiintolevyn välillä ja
näytönohjain muuttaa näyttömuistiin tallennetun kuvan näyttölaitteelle sopivaksi ajoitetuksi signaaliksi; monet näytönohjaimet osaavat myös itse piirtää grafiikkaa näyttömuistiin.

Vaikka kaikki tietokoneet pystyvätkin periaatteessa suorittamaan samat tehtävät, jotkin ovat huomattavasti soveltuvampia joihinkin tehtäviin kuin toiset. Suorituskykyä erityyppisissä tehtävissä mitataan vertaillen niin sanotuilla benchmarking-testeillä. Riittävän suorituskyvyn lisäksi merkittäviä tekijöitä ovat muun muassa koneen vakaus, vikasietoisuus, virrankulutus, fyysinen koko, ohjelmistoyhteensopivuus sekä hankinta- ja käyttökustannukset.

Arkipuheessa tietokoneita asetetaan usein paremmuusjärjestykseen vertailemalla suoraan esimerkiksi suorittimien kellotaajuuksia. Kellotaajuus voi antaa suurpiirteisen vihjeen esimerkiksi PC-työaseman teknisestä iästä ja siten sen yleisestä suorituskyvystä ja luotettavuudesta useimmissa tehtävissä, mutta pelkkiin numeerisiin suureisiin katsominen voi esimerkiksi koneen ominaisuuksia arvioitaessa olla hyvinkin harhaanjohtavaa.

Tietokoneen arkkitehtuuri

Tietokonejärjestelmään kuuluvat

ohjelmisto ("pehmo", "softa", engl. software) ja
laitteisto ("rauta", engl. hardware).

Ohjelmisto jaetaan edelleen

kiinteisiin eli valmiisiin ohjelmiin ("valmo", engl. firmware), jotka kytkeytyvät laitteistoon ja säätelevät muun muassa tietokoneen käynnistymisen alkuvaiheita,
käyttöjärjestelmään (esim. Microsoft Windows, GNU/Linux tai Mac OS), joka ottaa ohjat käynnistyksen edetessä ja huolehtii tietokoneen perustoiminnoista, sekä
käyttöjärjestelmän päällä toimiviin sovellusohjelmiin (nettiselaimet, toimisto-ohjelmat, pelit yms.).

Tietokoneen laitteiston perusrakenne (niin sanottu von Neumannin arkkitehtuuri) on säilynyt suunnilleen samana aina 1940-luvulta asti. Laitteistoon kuuluvat

suoritin (prosessori, engl. processor), joka suorittaa ohjelmaa,
muisti (engl. data storage), johon tallentuvat sekä ohjelmat että niiden käyttämät tiedot, sekä
oheislaitteet (engl. peripheral device), joita voidaan käyttää tiedon syöttöön ja tulostukseen.

Pöytätietokoneen osat

Nykyaikaisen pöytämallisen työasema- tai kotitietokoneen laitteisto koostuu erillisistä osista, joita ovat tyypillisesti

yksi tai useampi suoritin
emolevy, jonka välityksellä laitteiston muut osat ovat yhteydessä suorittimeen
keskusmuisti (käyttömuisti, työmuisti, engl. active memory), johon ohjelmat ja niiden käsittelemä data tallentuvat siksi aikaa, kun tietokone on päällä
massamuistilaitteet, joiden avulla dataa voi varastoida pidemmäksi aikaa
- yksi tai useampi kiintolevy
- (tallentava) DVD- tai CD-asema
- levykeasema (jota nykyään on tosin pidettävä jo vanhentuneena tallennustekniikkana)
näytönohjain (emolevyyn sulautettuna tai erillisenä laajennuskorttina), johon kytketään yksi tai useampi näyttö
äänenohjain eli äänikortti (emolevyyn sulautettuna tai erillisenä laajennuskorttina), johon voidaan kytkeä muun muassa kaiuttimet ja mikrofoni
ohjauslaitteet
- näppäimistö
- hiiri
tietoliikenneyhteyden (esim. Internet) mahdollistava laite (yleensä verkkokortti tai modeemi)
tulostin
kuvanlukija eli skanneri.

Lisäksi tarvitaan osia, joita ei käytetä tiedonkäsittelyyn, kuten

kotelo (voidaan tahdä itse)
virtalähde
tuulettimia tai vesijäähdytysjärjestelmä, joilla estetään laitteiston ylikuumeneminen.

Tietokoneiden kehitys

Ensimmäiset tietokoneet 1940-luvulla oli tehty sotilaallisiin tarkoituksiin, muun muassa Saksan ja Japanin salakirjoitusjärjestelmien murtamiseen.

Tietokonetta käytettiin aluksi ensisijaisesti laskemiseen (vrt. engl. computer). ENIAC, joka suoritti 385 kertolaskua sekunnissa, pystyi korvaamaan noin 23 000 ihmistä (jos oletetaan, että ihminen pystyy ratkaisemaan keskimäärin yhden kertolaskun minuutissa). Nykyinen mikroprosessori on noin 3 000 000 kertaa ENIACia nopeampi eli saman laskutavan mukaan korvaa kertolaskuissa noin 60 miljardia ihmistä.

Myöhemmin oivallettiin, että ykkösillä ja nollilla voitiin kuvata mitä tahansa: tekstiä, kuvia, sanomia, kirjoja, arkistoja, maastoa, rakennuksia ja niin edelleen.

Tietokone ohjaa monesti laajoja järjestelmiä, esimerkiksi tietokoneohjattua tuotantoa, ase-, tiedustelu- tai johtamisjärjestelmää, liikennevaloja, puhelinkeskuksia, Internetin reitittimiä, autoja, pesukoneita, lähes kaikkia teknisiä järjestelmiä. Nykyaikaisen yhteiskunnan teknologinen pohja on keskeisesti tietokonetekniikkaa.

Tietokoneiden kapasiteetin kasvu on jatkuvasti yllättänyt asiantuntijat. Aikojen saatossa ovat asiantuntijoina pidetyt henkilöt lausuneet monia väitteitä, jotka aika ja tekninen kehitys ovat osoittaneet erheiksi:

"Maailmassa on markkinoita ehkä viidelle tietokoneelle."
"En näe mitään käyttöä tietokoneille kotona."
"640 kilotavun pitäisi riittää kaikille."

Šakin peluuta pidettiin pitkään niin ihmismäisenä toimintona, että tietokoneen ei ajateltu koskaan pystyvän siihen.

Merkittävä tapaus tietokoneen historiassa oli myös Toy Story – leluelämää -elokuva, joka oli maailmanhistorian ensimmäinen täysin tietokoneanimaationa tehty kokoillan elokuva.

Tietokonesukupolvet

Etenkin vanhemmassa kirjallisuudessa tietotekniikan historia kuvataan usein jakamalla tietokoneet neljään sukupolveen:

rele- ja putkikoneet,
transistorikoneet,
mikropiirikoneet ja
mikroprosessorikoneet.

Varhaisissa tietokoneissa 1940-luvulla käytettiin peruskomponentteina yleensä joko elektroniputkia tai sähkömekaanisia releitä. Liikkuvat osat rajoittivat sähkömekaanisten koneiden nopeuden enintään muutamiin kymmeniin laskutoimituksiin sekunnissa, kun taas täysin elektroniset putkitoteutukset suorittivat samassa ajassa useita tuhansia operaatioita. Komponentit olivat kuitenkin joka tapauksessa suurikokoisia, epäluotettavia ja kuluttivat paljon energiaa.

1950-luvun jälkipuoliskolla otettiin käyttöön puolijohteisiin perustuvat transistorit, jolloin tietokoneiden komponetit ja energian tarve pienenivät oleellisesti ja luotettavuus parani. 1960-luvulla siirryttiin mikropiirehin, mikä pienensi jälleen komponenttien kokoa. Alkoi Mooren lakina tunnettu kehitys, jossa samalle mikropiirille saatiin kaksinkertainen komponenttimäärä puolessatoista vuodessa. Seuraava mullistus oli mikroprosessorin keksiminen, joka mahdollisti henkilökohtaisen tietokoneen eli PC:n synnyn. 1980- ja 1990-luvuilla siirryttiin suuritiheyksisiin mikropiireihin (VLSIC) ja edelleen suurnopeuksisiin mikropiireihin (VHSIC).

Ensimmäiset tietokoneet

Kysymys ensimmäisestä tietokoneesta ei ole kovin yksiselitteinen, sillä tietokoneen määritelmät vaihtelevat, ja useimmat varhaiset laitteet jättävät joitakin yleisiä vaatimuksia täyttämättä. Muun muassa seuraavassa lueteltuja laitteita on pidetty ensimmäisenä tietokoneena:

Charles Babbagen Analyyttinen kone (1837) - ensimmäinen yleiskäyttöisen tietokoneen tekninen kuvaus. Toteutus jäi pahasti kesken, mutta koneelle suunniteltu konekieli todettiin yli sata vuotta myöhemmin Turing-täydelliseksi.
Konrad Zusen Z1 (1937) - ensimmäinen ohjelmoitava binääriaritmetiikkaa käyttänyt laskukone, saksalainen. Z1 oli rakenteeltaan täysin mekaaninen ja käytössä hyvin epäluotettava. Laitteessa oli pieni hajasaantimuisti (64 sanaa), mutta käskyt luettiin muistin sijaan reikänauhalta, eikä käskykantaan kuulunut hyppykäskyjä.
Konrad Zusen Z3 (1941) - ensimmäinen luotettava ohjelmoitava binäärilaskukone. Vastasi loogisilta ominaisuuksiltaan Z1:tä mutta oli toteutettu releillä ja oli sen myötä riittävän luotettava insinöörien työkäyttöön. Zusen varhaiset koneet tuhoutuivat sodassa, joten niiden asema tunnustettiin vasta suhteellisen myöhään.
Atanasoff-Berry Computer (1942) - ensimmäinen täysin elektroninen binäärilaskukone, amerikkalainen. Ei sisältänyt varsinaista ohjelmoitavuutta vaan oli tarkoitettu pelkästään yhtälöryhmien automaattiseen ratkaisemiseen.
Harvard Mark I (1944) - amerikkalainen relepohjainen laskukone. Vastasi ohjelmointiominaisuuksiltaan suunnilleen Z3:ea mutta käytti desimaalijärjestelmää binäärijärjestelmän sijaan.
Colossus (1944) - ensimmäinen täysin elektroninen tietokone, brittiläinen. Suunniteltiin varta vasten salakirjoituksen murtamiseen eikä ollut yleiskäyttöinen vaikka olikin jossain määrin ohjelmoitavissa.
ENIAC (1944) - ensimmäinen täysin elektroninen yleiskäyttöinen tietokone, amerikkalainen. ENIAC oli Turing-täydellinen, mutta sen ohjelmointi vaati fyysistä johtojen uudelleenvetämistä.
SSEM (1948) - ensimmäinen prototyyppi von Neumannin arkkitehtuurin toteuttavasta tietokoneesta, brittiläinen. Ei ollut kovinkaan käyttökelpoinen vaan tarkoitettu lähinnä teknisten ideoiden testaamiseen.
EDSAC (1949) - ensimmäinen käyttökelpoinen von Neumannin arkkitehtuurin toteuttanut tietokone. Brittiläinen.

Colossus kehitettiin natsien viestiliikenteessä käyttämän salauksen purkamiseen. Koska kyse oli tiedustelutoiminnasta, Britannian hallituksen salassapitomääräys koski myös Colossusta. Yhdysvaltalaisen ENIACin käyttötarkoitusta, tykistön ampumataulukoiden laskentaa, ei sen sijaan luokiteltu salaiseksi, joten ENIACin dokumentaatio voitiin julkistaa heti 2. maailmansodan päätyttyä.

Mikroprosessori (suoritin)

Mikroprosessori on tietokoneen keskusyksikkö, "aivot", yhdellä mikropiirillä. Ensimmäinen mikroprosessori, Intelin 4004 vuodelta 1971, sisälsi noin 2 300 transistoria. Sen kellotaajuus eli nopeus oli 0,1 MHz, kerralla käsiteltävän tiedon leveys 4 bittiä (yksi numero), ja se pystyi käsittelemään 0,06 miljoonaa käskyä sekunnissa.

Kolmekymmentä vuotta myöhemmin, vuonna 2001, uusin mikroprosessori Intelin perheessä oli Itanium. Se sisälsi noin 25 000 000 transistoria, sen kellotaajuus oli 733 MHz, kerralla käsiteltävän tiedon leveys oli 64 bittiä (16 numeroa), ja Itanium pystyi suorittamaan 7 491 miljoonaa käskyä sekunnissa.

Kehityksen vauhti on ollut häkellyttävä; ihmiskunnan tekniikan historia ei tunne vastaavaa ilmiötä.

Tietokoneen aiheuttamia muutoksia

1. Yksityisyys vaarassa. Mikroprosessori on luomassa ennen näkemättömän mahdollisuuden yhdistellä ja saada tietoa eri lähteistä. Lääke tähän on mikroprosessori ja sen antama mahdollisuus tietojen tehokkaaseen ja halpaan salaamiseen.

2. Elektroninen työpaikka. Aluksi työpaikka muuttui melko vähän. Sitten halvat työryhmäohjelmat ja tietokoneverkot muuttivat työtä enemmän. Johto pystyy johtamaan useampaa ja erilaisempaa työryhmää tehokkaasti. Hyvä uutinen on se, että toimistokoneet eivät koskaan ole olleet näin halpoja. Huono uutinen on se, että ihmisten etenemismahdollisuudet pienenevät, kun johtajia tarvitaan vähemmän.

3. Aivokuvaus kaikille. Kolmiulotteiset tomografia-laitteet vaativat laskentakapasiteetin, joka aiemmin oli toteutettavissa vain kalliilla minitietokoneilla. Nyt sama kapasiteetti löytyy tehokkaimmista mikroista.

4. Uutistuotannosta tulee yhteistoimintaa. Aiemmin uutiset tulivat suurista uutistoimistoista. Nyt sähköpostijärjestelmät ja elektroniset keskustelufoorumit tarjoavat uutisaiheita valtavan turhan tiedon lisäksi. Reportterit saavat paljon sähköpostia ulkopuolisilta. Uutispohja kasvaa.

5. DNA-mysteerit paljastuvat. Ihmisperimän molekyyliketjujen laskenta on synnyttänyt uuden laskennallisen molekyylibiologian. Sairastumisherkkyys ja perinnölliset taudit voidaan kartoittaa – ja vakuutusyhtiöt voivat tutkia, ketä kannattaa vakuuttaa.

6. Sähköposti luo demokratiaa. Se korvaa hierarkkisen johtamisportaikon ja mahdollistaa suoran tiedon alhaalta ylös (vrt. kohtaan 2).

7. Älykkäämmät autot hallitsevat maanteitä. Moottorit käyttävät vähemmän polttoainetta ja antavat paremman tehon. Tarve säätää moottoria huollon yhteydessä on mennyttä aikaa. Kehitteillä on erityisiä käyttöjärjestelmiä, jotka yhdistävät tavallisen auton noin tusina mikroprosessoria. Tiedon valtatie autossa.

8. Luottoa kaikille. Kymmenen vuotta sitten luottokorttiostosten tarkistaminen oli hankalaa ja työlästä. Nyt jokaisen ostoksen automaattinen tarkastus on mahdollista heti ja ennen kaikkea halvalla. Vuonna 1990 Visan tietoverkoissa maksettiin 174 miljardilla dollarilla, vuonna 1994 jo 293 miljardilla, mikä tarkoittaa 17 prosentin vuosikasvua.

9. Maailmanlaajuinen äänivalinta. Kännykkä on käytännössä mikrotietokone, johon on liitetty antenni ja joka on optimoitu signaalien välittämiseen. Uudet matkapuhelinverkot tarjoavat uusille valtioille mahdollisuuden siirtyä kivikaudesta suoraan uusimpaan tekniikkaan.

10. Animaatio avaa uuden ulottuvuuden. Elokuva Toy Story tehtiin pienemmällä henkilöstöllä kuin mikään aikaisempi animaatioelokuva. Silicon Graphicsin työasemien koneaikaa kului 800 000 tuntia ja tuloksena oli 500 gigatavua tietoa, jonka yleisö näki filminä.

11. Tietokone ja digitaalinen signaalinkäsittely on aivan keskeinen osa nykyaikaisinta tavanomaista sodankäyntiä. Tietokoneeseen perustuvat muun muassa täsmäaseet, AWACS, JSTARS, GPS, tietoliikenne ja suuri osa tiedustelusta.

12. Laajimmillaan tietokonetta pidetään uuden tieteellisen paradigman mahdollistajana. Tällöin tietokone avaa ihmiselle kompleksisuuden maailman samalla tavalla kuin mikroskooppi avasi pienuuden maailman ja kaukoputki suuruuden maailman. Tietokone tutkimusvälineenä mahdollistaa muun muassa kokonaisuuksien uudenlaisen tutkimuksen osiin keskittymisen sijasta. Tätä tietokoneiden aiheuttamaa muutosta on käsitellyt esimerkiksi amerikkalainen filosofi ja fyysikko Heinz R. Pagels.

Tietokoneen tulevaisuudesta

Mooren laki pätenee vielä jonkin aikaa eli tietokoneiden kehitys jatkuu ainakin nykyisenlaisena. Tämä kehitys merkitsee

teknisen älykkyyden radikaalin kasvun jatkumista (ks. Epistemologia: Tekninen ja inhimillinen tieto)
yhä älykkäämpien, suurempien ja ajantasaisempien tehtävien siirtymistä tietokoneille
tekniikan ja ihmiskunnan tietokoneistumista.

Tietokoneiden tulevaisuus on tietokoneverkoissa. Mullistusta tietokonetekniikassa on esitetty kvanttitietokoneista. Tietokone muuttaa ehkä ihmiskunnan kehityksen suunnan. Yksi tällainen suunta on transhumanismi.

Kirjallisuutta

Martin Davis: Tietokoneen esihistoria Leibnizista Turingiin. Art House, 2003. ISBN 951-884-364-3

Katso myös

Tietotekniikka | Matemaattiset apuvälineet

Gourt Home::Gourt :: Tietokone