10 nejdůležitějších vynálezů

Všudypřítomnost: asi žádný jiný atribut neplní v našem každodenním životě takovou úlohu jako přítomnost počítačů. Ať už si vybíráte hotovost z bankomatu, nebo si rezervujete místo ve fitness centru, v pozadí stojí počítače, které vám poskytnou informace, zpracují je a uloží. A to jsme v podstatě jen na začátku celého procesu. V příštím desetiletí by mělo dojít k integraci chytrých měst, autonomní dopravy a inteligentních asistentů. IT revoluce ještě určitě není u konce.

K celému procesu by ale vůbec nemohlo dojít, pokud bychom už za sebou neměli základy položené v druhé polovině 20. století. V průběhu zhruba 30 let dopomohlo mnoho vynálezů ke vzniku téměř všudypřítomné digitální infrastruktury, jako je internet nebo mobilní sítě. Představíme vám deset největších vynálezů, které umožnily následný rozvoj digitálních inovací.

Velký třesk v křemíku

Ať už jde o smartphony, notebooky, nebo servery, to podstatné se děje a počítá v prostoru několika centimetrů čtverečních a vše probíhá rychlostí miliard pracovních kroků za sekundu. To si ještě před 70 lety málokdo uměl představit – u moderních procesorů se přepíná více než 20 milionů tranzistorů na milimetru čtverečním, zatímco první sálové počítače se skládaly jen z několika málo tisíc elektronek. Teprve miniaturizace obvodů umožnila průnik počítačové technologie do téměř každé domácnosti. Stojí za tím tři průlomové objevy: křemíkový tranzistor, integrovaný obvod a mikroprocesor.

Cesta k prvnímu fungujícímu křemíkovému tranzistoru vedla přes objevení elektrického pole. Elektrické pole způsobuje změnu vodivosti materiálu. Pro použití připadají v úvahu polovodiče, jako je germanium, selen, křemík, ale také některé druhy uhlíku. První tranzistor vyrobený z polovodičového germania byl představen v laboratořích Bell Labs v roce 1947. Germanium však není pro tento úkol ideálním materiálem: únikové proudy se u něj vyskytují i při nízkých teplotních výkyvech a při více než 75 stupních Celsia germaniový tranzistor přestat pracovat úplně. A to právě křemík nedělá. Velký křemíkový třesk nastal v roce 1954, kdy Gordon Teal z Texas Instruments oznámil úspěšný vývoj prvního komerčního křemíkového tranzistoru na výročním zasedání Institutu rozhlasových inženýrů v Daytonu v Ohiu slovy: „V rozporu s tím, co mi mí kolegové řekli o vyhlídkách výroby křemíkových tranzistorů, jich mám pár v kapse.“

Generátor hodinových impulzů

Dalším velkým krokem ve vývoji počítačů byl vynález integrovaného obvodu, který spojuje všechny elektronické součástky dohromady na substrátu (obrázek vpravo). Bez této integrace by velikost počítačů narůstala s jejich složitostí. Po vynálezu integrovaných obvodů a čipů bylo naopak možné jejich zmenšování. Spoluzakladatel společnosti Intel Gordon Moore už v roce 1965 předpovídal, že se počet tranzistorů, které mohou být umístěny na integrovaný obvod, zhruba každých 18 měsíců zdvojnásobí. A dalších 50 let se tuto předpověď dařilo uplatňovat i v praxi.
Mikroprocesor v jednom čipu obsahuje všechny potřebné komponenty a obecně vzato nejde o nic jiného než o složitý integrovaný obvod. První procesory tohoto typu byly vyrobeny pro kalkulačky a osobní počítače. Kdo přesně v laboratoři sestavil prototyp prvního moderního procesoru, je trochu sporné. První místo patrně patří firmě Texas Instruments, a nikoli Intelu, ale procesor 4004 se stal prvním komerčně dostupným procesorem. Skládal se z 2 300 tranzistorů a měl frekvenci 740 KHz. Trvalo pak dalších sedm let, než byl vyvinut procesor 8086, což byl první model s instrukční sadou x86.

Kvantová fyzika

Svět kvantové fyziky je pro mnoho lidí cizí. Nejlepším příkladem je tunelový jev. Kvantová mechanika částici umožňuje, aby s určitou pravděpodobností prošla skrz potenciálovou bariéru – elektron se tedy s určitou pravděpodobností objeví na místě, kde by být neměl. A tunelový jev je základem tranzistorů s plovoucími hradly. Bez nich by nebyly SSD disky, smartphony, ani mobilní komunikace v současné podobě, protože bychom se museli spoléhat na ukládání dat na magnetická média.

V případě flash paměti se totiž data ukládají v poli unipolárních tranzistorů s plovoucími hradly, zvaných buňky. ANAND nebo flash paměti převládly jako standardní úložiště, protože umožňují vyšší hustotu záznamu dat než jiné elektronické metody ukládání dat. Tento způsob záznamu vynalezl v osmdesátých letech Fujio Masuoka. Přitom se měl zabývat technologií paměti RAM ve společnosti Toshiba.

Čisté sklo pro internet

V optických vláknech jsou informace přenášeny pomocí světelných vln. Pokud bychom neměli optická vlákna, museli bychom se spolehnout na měděné kabely, které však mají mnohem nižší (zhruba tisíckrát) datovou propustnost, takže vybudovat globální internetovou síť tak, jak ji známe dnes, by bylo prakticky nemožné a pokus by uvázl na úrovni analogových modemů. Zásadním průlomem pro využití optických vláken pro přenos dat bylo zjištění, že znečištění silně zeslabuje světelný signál, který je pak nutné v krátkých intervalech zesilovat. Britské společnosti Corning, která je v současné době známa především odolnými skly pro displeje mobilních telefonů Corning Gorilla Glass, se podařilo odstranit ze skla nečistoty za účelem přenášení světelných vln na dlouhé vzdálenosti. Díky tomu bylo možné v roce 1988 položit první interkontinentální podvodní kabel s optickými vlákny.

Síť internet by také nebyla internetem, ale pouze propojením více sítí dohromady, pokud bychom neměli protokol TCP/IP. Téměř všechny datové pakety jsou zabaleny s TCP a adresovány přes IP. Zpočátku se objevovaly pokusy obě funkce integrovat, ale to se ukázalo jako příliš složité. Racionální se ukázalo TCP a IP oddělit. Stejně důležité se ukázalo i asymetrické šifrování RSA. To zaručuje bezpečnou komunikaci i autentičnost dat. Bez toho by neexistovaly služby jako nakupování na internetu, Amazon nebo PayPal. Aktualizace nebo stahované programy by se daly falšovat a malware by snadno mohl proniknout do počítačů a ovládnout je.

Unix a další nixy

Všechny moderní operační systémy, jako je Linux, Android, macOS nebo iOS, jsou založeny na systému Unix, nebo z něj alespoň nějakým způsobem vycházejí. To se týká i Windows NT. První verze Unixu přitom měla pouze 4 200 řádků kódu a vešla se do 16KB paměti. Vývoj systému Unix přinesl další důležité inovace a je spojen i programovacím jazykem C, který byl vyvinut pro jeho potřeby. Dlouholetý spor o vývoj a používání zdrojového kódu Unix nakonec inicioval vznik open-source hnutí, což se ukázalo pro další vývoj jako stejně důležitý krok.

Unixu však chybělo grafické uživatelské rozhraní (GUI). Ironií je, že tuto situaci změnil Xerox, výrobce kopírovacích strojů a technologický inovátor. V jeho výzkumném centru v Palo Alto (PARC), byl mimo jiné vyvinut Ethernet, koncepce přenosného počítače a právě i grafického rozhraní spolu s počítačovou myší. Xerox přitom své vynálezy ochotně představil i svým konkurentům, kteří je chtěli vidět. Včetně Steva Jobse a Billa Gatese, kteří se inspirovali a vytvořili grafické rozhraní pro své operační systémy.

Programování přemýšlení

AI, tedy umělá inteligence, v podstatě znamená, že se počítače učí myslet. To je vzhledem ke složitosti lidského mozku nemožný úkol. Drobné části mozku však mohou posloužit jako model pro neuronové sítě. Ty pak mohou být použity k řešení úloh, které není možné vyřešit tradičními počítači a tradičním kódem.

Průlom přinesly konvoluční neuronové sítě (Convolutional Neural Networks – CNN), které jsou schopné identifikovat objekty v obrazcích. Když se dobře vyškolí, jsou dokonce schopné překonat lidské pozorovatele. Neuronové sítě ale ještě budou muset prokázat, zda budou schopné změnit svět, podobně jako devět ostatních vynálezů. Ale vsadit na ně se nejspíše vyplatí.

Tranzistory řízené elektrickým polem 1925 Julius Lilienfeld objevuje princip tranzistoru řízeného elektrickým polem: Vodivost materiálu se mění při aplikaci elektrického pole, u nichž je vodivost kanálu mezi elektrodami řízena napětím. 1947 V laboratořích Bell Labs vyvinuli fyzici Walter Brattain a John Bardeen funkční germaniový tranzistor. 1954 V lednu Morris Tanenbaum v laboratořích Bell Labs sestavil první křemíkový tranzistor, ale Texas Instruments ho jako první začal prodávat. 1

Integrovaný obvod 1958 Jack Kilby, čerstvě najatý společností Texas Instruments, vyvíjí první integrovaný obvod během letních prázdnin. 1960 Ve firmě Fairchild Semiconductor vznikl prototyp na základě návrhů spoluzakladatele Roberta Noyce. 1961 Fairchild Semiconductor uvádí na trh první monolitické integrované obvody jako Resistor Transistor Logic (RTL). 2

Procesor/CPU 1955 V brožuře IBM (705 EDPM) se poprvé uvádí výraz „Central Processing Unit“. 1971 Intel 4004, 4bitový mikroprocesor, je prvním komerčně dostupným mikroprocesorem na trhu. 1978 Intel představil CPU Intel 8086, první procesor s architekturou x86, která se používá dodnes.

Tranzistory s plovoucími hradly, flash 1928 Fyzici Ralph H. Fowler a Lothar Nordheim vysvětlují proces elektronové emise, tj. proč se elektrony mohou „tunelovat“. 1967 Dawon Kahng a Simon Min Sze vyvíjejí v Bellových laboratořích tranzistory s plovoucími hradly, které elektrony uchovávají pomocí tunelového efektu. 1989 Společnost Toshiba představuje první úložiště typu NAND (zkráceně Flash). To bylo vyvinuto roku 1980 týmem pěti členů pod vedením Fujia Masuoky. 4 Optické kabely 1965 Manfred Börner, fyzik pracující ve společnosti AEG Telefunken, vyvinul optický kabel vhodný pro přenos informací. 1970 Maurer, Keck a Schultz, tři vědci z firmy Corning, vyrobili první optické vlákno s nízkým útlumem způsobeným kontaminací. 1988 První transatlantický kabel s optickými vlákny spojuje Spojené státy s Velkou Británií a Francií. Projekt TAT-8 stál 335 milionů dolarů a zajistil přenosovou rychlost 280 Mb/s. 5

TCP/IP 1973 První verze protokolu TCP (Transmission Control Protocol) pro propojení mezi různými fyzickými sítěmi – základ pro celosvětovou počítačovou síť internet je na světě. 1977 Počítačový vědec a jeden ze zakladatelů internetu Jon Postel kritizuje koncept v Internet Engineering Note (viz níže) a navrhuje oddělit TCP od IP – to je pro další rozvoj internetu průlom. 1980 Publikovány jsou stále platné internetové protokoly TCP / IPv4.

Asymetrické šifrování 1973 Tři zaměstnanci britské vládní tajné služby GCHQ (Government Communications Headquarters), Ellis, Cocks a Williamson, vyvinuli první asymetrickou šifrovací metodu. Tajná služba to ale nezveřejnila. 1976 Whitfield Diffie a Martin Hellman publikovali teorii kryptografie s veřejným klíčem, která je základem asymetrického šifrování. 1977 Rivest, Shamir a Adleman se snaží na MIT vyvrátit teorii Diffieho a Hellmana. Neuspějí a při tomto procesu přijdou na RSA šifrování, které nese jejich jméno. Unix/open-source 1964 Vývoj předchůdce s názvem Multics. Stojí za ním MIT a konsorcium společností General Electric, Bell Labs a Honeywell. 1969 Po ukončení projektu Multics píše Ken Thompson, počítačový odborník z laboratoří Bell Labs, první verzi Unixu ve strojovém kódu pro počítač PDP-7. 1973 Dennis Ritchie převádí Unix na jím nově vyvinutý programovací jazyk, známý jako C. Zdrojový kód je distribuován a stává se populárním především na vysokých školách.

Grafické uživatelské rozhraní 1973 Ve výzkumném centru Xerox PARC vzniká první pracovní stanice Xerox Alto s grafickým uživatelským rozhraním, včetně ovládání myší. 1981 Společnost Xerox uvádí na trh první pracovní stanici Xerox 8010 Information System (Xerox Star) s grafickým uživatelským rozhraním – za 16 500 amerických dolarů. 1984 Apple přebírá koncept grafického rozhraní a využije ho u svého nového počítače Apple Macintosh.

Neuronové sítě/CNN 1959 Biologové David H. Hubel a Torsten N. Wiesel objeví, že za zpracování optických signálů jsou v mozku zodpovědné dva typy buněk. 1980 Profesor Kunihiko Fukushima využívá jejich poznatků a navrhuje neuronovou síť Neocognitron pro řešení úlohy rozpoznávání rukou psaných znaků. 1996 LeNet-5 představuje první konvoluční neuronovou síť pro rozpoznávání objektů. Její základní struktura je inspirována Neocognitronem.

Foto popis|

O autorovi| MARKUS MANDAU, autor@chip.cz S