Lịch sử phần cứng máy tính ( phần IV)
Thế hệ thứ hai: tranzito
Bài chi tiết: kiến trúc máy tính và kiến trúc von Neumann


Một BJT.
Vào nửa sau thập niên 1950 tranzito lưỡng cực (BJT)
[64]
đã thay thế ống
chân không. Từ đó dẫn đến những chiếc máy tính thuộc "thế hệ thứ hai".
Ban đầu, người ta tin rằng sẽ có rất ít máy tính được sản xuất hoặc sử
dụng
[65]
. Lý do là vì kích thước, giá cả, và kỹ năng cần có để vận hành
hoặc đọc hiểu kết quả của chúng. Tranzito
[66]
đã làm giảm đáng kể kích
thước, giá thành ban đầu và chi phí vận hành. Tranzito lưỡng cực
[67]
được
phát minh vào năm 1947
[68]
. Nếu không có dòng điện chạy qua đường
cực base-emitter của tranzito lưỡng cực, đường cực collector-emitter của
tranzito sẽ chặn dòng điện (tranzito khi đó gọi là "tắt hoàn toàn"). Nếu có
dòng điện đủ lớn đi qua đường cực base-emitter của một tranzito, đường
cực collector-emitter của tranzito đó cũng cho dòng điện đi qua (và
tranzito được gọi là "mở hoàn toàn"). Việc cho dòng điện đi qua hoặc
ngăn dòng điện là cách biểu diễn lần lượt cho số nhị phân 1 (true) hay 0
(false)
[69]

. So với ống chân không, tranzito có nhiều lợi điểm: sản xuất ra
chúng rẻ hơn mà nhanh hơn gấp 10 lần, biến thiên từ điều kiện 1 đến 0
chỉ mất có một phần triệu hoặc một phần tỷ giây. Dung tích tranzito được
đo bằng milimét vuông so với centimét vuông của ống chân không. Nhiệt
độ vận hành thấp hơn của tranzito đã làm tăng độ tin cậy của chúng so
với ống chân không. Các máy tính được trang bị tranzito có thể chứa
mười ngàn mạch luận lý nhị phân trong một không gian rất nhỏ hẹp.
Thông thường, các máy tính thế hệ thứ hai
[70][71]
bao gồm rất nhiều mạch
in như IBM Standard Modular System
[72]
mỗi mạch có chứa một đến bốn
cổng luận lý hoặc flip-flop. Một máy tính thế hệ thứ hai, IBM 1401, đã
giành được đến khoảng một phần ba thị phần thế giới. IBM đã cài đặt hơn
một trăm ngàn máy 1401 trong khoảng năm 1960 đến 1964 - Khoảng thời
gian này cũng chứng kiến nỗ lực duy nhất của người Ý: chiếc ELEA của
Olivetti, sản xuất được 110 máy.


DASD của chiếc RAMAC này đang được phục hồi tại Bảo tàng lịch sử
máy tính.
Các thiết bị điện tử được tranzito hóa không chỉ phát triển CPU, mà còn
cả các thiết bị ngoại vi. Chiếc RAMAC IBM 350 được ra mắt vào năm
1956 và là máy tính có ổ đĩa đầu tiên trên thế giới. Đơn vị lưu trữ dữ liệu
dạng đĩa thế hệ thứ hai có thể lưu trữ hàng chục triệu ký tự và chữ số.
Nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau có thể kết nối với CPU, giúp tăng tổng
dung lượng bộ nhớ đến hàng trăm triệu ký tự và chữ số. Tiếp sau đơn vị
lưu trữ bằng đĩa cố định, được kết nối với CPU thông qua băng truyền dữ
liệu tốc độ cao, là đơn vị lưu trữ dữ liệu dạng đĩa tháo lắp. Một chồng đĩa

tháo lắp có thể thay bằng một chồng khác chỉ trong vài giây. Thậm chí dù
dung lượng đĩa tháo lắp nhỏ hơn đĩa cố định, khả năng sử dụng thay thế
lẫn nhau đảm bảo cho khả năng lưu trữ dữ liệu không có giới hạn trở nên
trong tầm tay. Nhưng băng từ cung cấp khả năng lưu trữ các dữ liệu này,
với giá thành thấp hơn đĩa.
Nhiều CPU thế hệ thứ hai giao phó việc giao tiếp với các thiết bị ngoại vi
cho một vi xử lý thứ hai. Ví dụ, trong khi vi xử lý giao tiếp điều khiển
việc đọc và đục lỗ thẻ, CPU chính sẽ xử lý việc tính toán và các lệnh rẽ
nhánh. Một băng dữ liệu sẽ duy trì dữ liệu giữa CPU chính và bộ nhớ lõi
mới theo tỷ lệ chu kỳ nạp-xử lý, và những băng dữ liệu khác sẽ chỉ phục
vụ cho các thiết bị ngoại vi. Trên chiếc PDP-1, chu kỳ của bộ nhớ lõi là 5
miligiây; do đó đa số các lệnh số học mất khoảng 10 microgiây (100.000
phép toán một giây) vì phần lớn các phép toán phải được thực hiện trong
ít nhất hai chu kỳ bộ nhớ; một cho lệnh, và một để nạp dữ liệu toán hạng.
Trong thế hệ thứ hai này chứng kiến việc sử dụng rất nhiều đơn vị đầu
cuối đầu xa (thường ở dạng Máy telex như Friden Flexowriter). Các kết
nối điện thoại đã cung cấp tốc độ hợp lý cho những đầu cuối đầu xa đầu
tiên và cho phép chia tách hàng trăm kilômét giữa các thiết bị đầu cuối
đầu xa và trung tâm tính toán. Cuối cùng những mạng máy tính độc lập
này sẽ được tổng hợp vào một mạng các mạng liên kết với nhau -
Internet
[73]
.

Sau 1960: thế hệ thứ ba về sau
Bài chi tiết: lịch sử phần cứng máy tính (thập niên 1960-nay) và
lịch sử CPU đa mục đích
Xem thêm: mạch tích hợp, máy tính mini, vi xử lý, công nghệ, phần
mềm, và thiết kế



IC vi điều khiển 8-bit 8742 của Intel.
Sự bùng nổ sử dụng máy tính bắt đầu từ các máy tính 'Thế hệ thứ ba'. Mà
những chiếc máy tính này dựa trên các phát minh độc lập về mạch tích
hợp (IC hay microchip) của Jack St. Clair Kilby
[74]
và Robert Noyce
[75]
,
từ đó dẫn đến việc phát minh ra vi xử lý
[76]
của Ted Hoff, Federico
Faggin, và Stanley Mazor tại Intel
[77]
. Ví dụ như mạch tích hợp ở hình
bên phải, con Intel 8742, là một vi điều khiển 8-bit bao gồm một CPU
chạy với tốc độ 12 MHz, RAM 128 byte, EPROM 2048 byte, và I/O
trong cùng một con chip.
Trong suốt thập niên 1960 có một khoảng cách đáng kể về công nghệ
giữa thế hệ thứ hai và thứ ba
[78]
. IBM đã hiện thực các mô-đun Công nghệ
Logic rắn IBM trong mạch lai dành cho Hệ thống IBM/360 vào năm
1964. Đến cuối năm 1975, Sperry Univac vẫn tiếp tục sản xuất các máy
thế hệ thứ hai như UNIVAC 494. Các hệ thống lớn Burroughs như B5000
là các máy xếp chồng cho phép lập trình đơn giản hơn. Những máy tự
động ngăn xếp này cũng được hiện thực trong vi máy tính và vi xử lý về
sau, những thứ đã ảnh hưởng đến thiết kế ngôn ngữ lập trình. Các vi máy
tính được dùng làm trung tâm máy tính giá thấp cho ngành công nghiệp,
kinh doanh và trường đại học

[79]
. Nó có thể mô phỏng mạch tương tự
bằng chương trình mô phỏng tập trung vào mạch tích hợp (simulation
program with integrated circuit emphasis), hay SPICE (1971) trên vi máy
tính, một trong những chương trình dành cho máy tự động thiết kế điện tử
(electronic design automation - EDA). Vi xử lý dẫn đến sự phát triển của
vi máy tính, những máy tính nhỏ, giá thành thấp mà những cá nhân và
doanh nghiệp nhỏ có thể sở hữu. Các vi máy tính, xuất hiện lần đầu vào
thập niên 1970, có mặt ở khắp mọi nơi vào thập niên 1980 về sau. Steve
Wozniak, đồng sáng lập viên Apple Computer, là người được vinh danh
trong quá trình phát triển chiếc máy tính gia đình dành cho thị trường đại
chúng đầu tiên. Tuy nhiên, chiếc máy tính đầu tiên của ông, Apple I, lại
ra xuất hiện một thời gian sau các máy KIM-1 và Altair 8800, và chiếc
máy tính Apple đầu tiên có khả năng đồ họa và âm thanh cũng được phát
hành một thời gian dài sau Commodore PET. Việc tính toán gắn liền với
kiến trúc vi máy tính, với các tính năng đã có từ các máy kích thước lớn
hơn, giờ đã chiếm lĩnh trong hầu hết phân khúc thị trường.
Những hệ thống phức tạp như máy vi tính cần phải có độ tin cậy rất cao.
ENIAC đã được duy trì hoạt động liên tục từ năm 1947 đến 1955, thời
gian là 8 năm trước khi nó được tắt hoàn toàn. Mặc dù một ống chân
không có thể bị hỏng, nó sẽ được thay thế ngay mà không phải tắt toàn hệ
thống. Với chiến lược đơn giản là không bao giờ tắt máy ENIAC, các
hỏng hóc đã được giảm thiểu một cách ngoạn mục. Những ổ cứng có thể
gắn nóng, giống như các ống chân không vào những năm trước đây, tiếp
tục truyền thống sửa chữa trong khi đang vận hành liên tục. Bộ nhớ bán
dẫn thường không gây lỗi khi vận hành, mặc dù các hệ điều hành như
Unix đã thực hiện những kiểm thử bộ nhớ khi khởi động để kiểm tra các
phần cứng bị hỏng. Ngày nay, sự cần thiết phải hoạt động một cách đáng
tin cậy còn chặt chẽ hơn khi cụm máy chủ cũng giống như khay đựng
giấy. Google đã quản lý điều này bằng cách sử dụng phần mềm chịu lỗi

để phục hồi khi có sự cố phần cứng, và thậm chí vẫn hoạt động với ý
tưởng thay thế hoàn toàn cụm máy chủ trong khi vẫn hoạt động bình
thường, trong suốt một sự kiện dịch vụ
[80]
.
Vào thế kỷ 20, CPU đa nhân đã được bán ra thị trường. Bộ nhớ có thể ghi
địa chỉ nội dung (Content-addressable memory - CAM)
[81]
đã đủ rẻ để
dùng trong các mạng lưới, mặc dù chưa có hệ thống máy tính hiện thực
phần cứng CAM để dùng trong ngôn ngữ lập trình. Hiện tại, các CAM
(hay các mảng kết hợp) trong phần mềm là cụ thể theo từng ngôn ngữ lập
trình. Mảng ô nhớ bán dẫn là những cấu trúc rất ổn định, và các nhà sản
xuất đã có được nhiều thành công từ đó; điều này cho phép giá các sản
phẩm bộ nhớ giảm xuống. Sau khi bộ nhớ bán dẫn trở thành hàng hóa,
phần mềm máy tính ngày càng bớt tay chân hơn; các mã lập trình đã bớt
phức tạp, và dễ hiểu hơn
[82]
. Khi các cổng luận lý dựa trên tranzito hiệu
ứng vùng CMOS thay thế cho tranzito bán dẫn, mức tiêu thụ năng lượng
của máy tính có thể giảm đi đáng kể (Một CMOS FET chỉ hút điện trong
quá trình 'chuyển tiếp' giữa các trạng thái, không giống như độ hút điện
nhiều hơn của một BJT). Điều này cho phép máy tính trở thành một thứ
hàng hóa giờ đây có mặt ở khắp nơi, được tích hợp ở nhiều dạng, từ thiệp
chúc mừng và điện thoại đến vệ tinh. Phần cứng và phần mềm máy tính
thậm chí đã trở thành một phép ẩn dụng cho việc tính toán trên toàn
cầu
[83]
.
Biểu hiện của sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực này có thể rút ra

được từ lịch sử của một bài báo có ảnh hưởng
[84]
. Cho đến lúc bất kỳ ai
đó có thời gian để viết nó xuống, nó đã lạc hậu. Sau năm 1945, một số
người đọc được First Draft of a Report on the EDVAC (bản nháp đầu tiên
bản báo cáo về EDVAC) của John von Neumann, và ngay lập tức bắt tay
hiện thực hệ thống của chính họ. Đến ngày nay, nhịp phát triển đó vẫn
tiếp tục diễn ra, trên toàn cầu
[85][86]
.