Do komputera możemy wprowadzić wszystko, co da się zamienić w liczby lub zmierzyć. Mogą to być książka, głos, muzyka, film czy mapa pogody. Przekształcenie tych wszystkich informacji w liczbę jest pierwszym krokiem, który czyni komputer. Jak to robi?

My używamy cyfr od 0 do 9. Wszystko, czego potrzebuje komputer, to 0 i 1. W rzeczywistości może liczyć tylko do 1! Nazywa się to systemem binarnym, czyli dwójkowym. Komputer wykorzystuje system binarny, ponieważ tylko taki jest przydatny do pracy z prądami elektrycznymi. Potrafi rozpoznać różnicę między dużym i małym przepływem prądu. Jeśli jest duży prąd, komputer rejestruje 1; jeśli jest mały, rejestruje 0.

Kiedy naciskamy klawisze na klawiaturze komputera, różne kombinacje prądów przepływają przez maleńkie obwody w mikrochipach. Są to zminiaturyzowane układy elektroniczne (układy scalone) utworzone na jednej płytce kryształu krzemu. To te maleńkie prądy dają nam odpowiedzi, których potrzebujemy.

Procesor i pamięć

Część komputera, w której przebiegają operacje logiczne i arytmetyczne, nosi nazwę procesora. Łączy on ponadto wszystkie komponenty systemu w sprawnie działającą całość. Ciągle postępująca miniaturyzacja umożliwiła stopniowe scalanie i ograniczanie liczby układów przeznaczonych do wykonywania poszczególnych zadań. Częścią komputera, z którą procesor współdziała w sposób ciągły, jest pamięć. To tam w postaci ciągów zer i jedynek przechowywane jest wszystko, czym komputer dysponuje, tzn. programy i dane.

Obecnie są to zwykle pamięci półprzewodnikowe, które zastąpiły wszystkie inne ze względu na szybkość ich działania i malejące koszty wytwarzania. Nie ma chyba innego produktu, którego technologia dokonałaby tak ogromnego skoku w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat.

Programy

Żaden procesor nie może jednak zrobić nic, co nie zostało mu zadane w postaci programu komputerowego. Ten najważniejszy dla każdego komputera program nazywa się systemem operacyjnym. Jego uszkodzenie powoduje, że nasz komputer jest bezużyteczny. Pod jego kontrolą pozostają inne programy oraz urządzenia służące do porozumiewania się komputera z jego użytkownikiem. Wśród nich są ekran i klawiatura, a także mysz, mikrofon, głośnik oraz układy pozwalające odbierać informacje od innych komputerów, niekiedy bardzo odległych.

Współczesny komputer musi być wpięty w globalną sieć połączeń, tj. w internet – bez tego może służyć najwyżej jako archiwum starych fotografii.

System operacyjny zarządza także programami, przy pomocy których realizujemy nasze potrzeby, np.: piszemy list, wyszukujemy potrzebną informację czy oglądamy fotografie lub film. Nazywamy je programami użytkowymi lub aplikacjami.

W olbrzymiej większości naszych domowych komputerów pracuje jedna z wersji systemu Windows amerykańskiej korporacji Microsoft. Jest on kosztowny i wymusza na użytkowniku komputera częste inwestycje w domową informatykę. Zdarza się, że komputer kupiony zaledwie przed 3 czy 4 laty źle pracuje z nowszymi programami i bardzo zwalnia swoje działanie. Tu również pozostaje aktualna ewangeliczna przypowieść o starych bukłakach i młodym winie. W świecie komputerowym będzie ona brzmiała: „Nie instaluje się nowych programów na starym sprzęcie, bo i komputer się zawiesi, i program działać nie będzie”.

Wielu zwolenników ma darmowy system Linux, w którego przypadku problem jest dużo mniejszy. W czasie pandemii pomógł on wielu rodzinom wyposażyć dziecko w komputer do zdalnej nauki, gdyż po jego zainstalowaniu „ożył” stary sprzęt, bezużyteczny już w systemie Windows. Może należałoby się zastanowić nad wprowadzeniem Linuxa do szkolnej informatyki na większą skalę?

Przetwarzanie w chmurze

Zajrzyjmy do miejsc, gdzie dane swoich klientów przetwarzają duże banki, spółki ubezpieczeniowe czy firmy wysyłkowe. Chociaż na biurkach pracowników stoją tam komputery podobne do naszych domowych, to są one jedynie końcówkami dużych systemów zdolnych przetwarzać wielkie zbiory danych.

Współczesne duże komputery nie wyglądają efektownie. Są to zwykle rzędy regałów, w które wpięte są panele pełne pakietów elektronicznych układów. Mówimy tu o architekturze systemu klient – serwer. Końcówka odbierająca dane to klient dużego systemu dostarczającego dane, nazywanego serwerem. Najczęściej jednak ten wysoko wydajny system nie jest własnością firmy, która go używa. Jest na nim jedynie wykupiona usługa przetwarzania danych i nie ma nawet znaczenia, gdzie system ten jest fizycznie zlokalizowany.

Dlatego mówimy tu o „przetwarzaniu w chmurze”. Jako pierwsza usługę tę zaczęła świadczyć korporacja Amazon, zajmująca się wysyłką towarów. W okresie świąteczno-noworocznym miała ona zwykle olbrzymi nawał zleceń i do niej musiała dostosować wydajność swoich systemów. Przez pozostałą część roku były one jednak niewykorzystane. Amazon zaczął sprzedawać ich czas i możliwości przetwarzania danych innym firmom. Okazało się to wielkim sukcesem i w ślady korporacji poszły te najpotężniejsze – Google i Microsoft. Obecnie jest to ważne źródło ich dochodów.

Co powiedziałby Lem?

Spójrzymy w przyszłość, w jakim kierunku zmierza dziś technologia informacyjna. Zacznijmy od pracujących obecnie superkomputerów. Obecnie największą moc obliczeniową mają maszyny: Fugaku – Japonia, Summit – USA, Sierra – USA oraz dwa komputery chińskie. Porównań między nimi dokonuje się przy pomocy programów liczących ilości operacji arytmetycznych wykonywanych w ciągu sekundy, a wynoszą one tysiące miliardów działań, i nie widać końca tego wyścigu.

Giganty te są wykorzystywane do modelowania zmian klimatu, prognozowania pogody, projektowania procesów chemicznych, badań nad zmianami w przechowywanej broni termojądrowej pod wpływem czasu, budowy mapy genomu człowieka i in. Najbardziej wydajne maszyny zainstalowane w Polsce znajdują się w Poznaniu i Krakowie. Służą do badań naukowych.

Główna droga rozwoju technologii informacyjnych może być jednak zupełnie inna, a jest nią komputer kwantowy. Nie mógł on powstać w drodze rozwoju istniejących już urządzeń. Podobnie jak udoskonalając świece, nigdy nie moglibyśmy zbudować żarówki. Komputery kwantowe firmy IBM działają już dla celów badawczych i komercyjnych. Wykorzystują one zjawiska nadprzewodnictwa i nadciekłości, a przez to wymagają temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu (ok. -273°C). W październiku 2021 r. Chińczycy pochwalili się dwoma nowymi komputerami kwantowymi: Jiuzhang 2 i Zuchongzhi 2. Ten drugi – jak mówią jego twórcy – jest w stanie w ciągu 1 s wykonać obliczenia, które zajęłyby najpotężniejszemu superkomputerowi na świecie aż 30 bln lat.

Być może rozwój komputerów kwantowych przyczyni się też do lepszego rozumienia procesów ogólnie nazywanych myśleniem.

Autor jest z zawodu informatykiem.