Thế hệ máy tính (tiếng Anh Computer Generations) là lớp các máy tính điện tử có chung một số đặc điểm công nghệ quan trọng nhất.

Hàng trăm loại máy tính điện tử khác nhau đã từng được thiết kế và chế tạo trong quá trình tiến hoá của chúng; hầu hết đã bị lãng quên, chỉ một số rất ít còn có ảnh hưởng đáng kể đến những tư tưởng hiện đại trong lĩnh vực kiến trúc máy tính. Các nhà nghiên cứu thường dựa trên đặc điểm công nghệ chế tạo phần cứng để phân lớp các thế hệ máy tính điện tử khác nhau, họ khá thống nhất trong việc phân lớp ba thế hệ đầu tiên. Tuy nhiên, từ thế hệ thứ tư, do sự tiến bộ hết sức nhanh chóng của công nghệ, việc phân lớp các thế hệ không hoàn toàn thống nhất. Sau đây là một số cột mốc chính trong quá trình phát triển của máy tính điện tử.

Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử (1945-1955)

Chiến tranh thế giới thứ hai đã kích thích sự ra đời của máy tính điện tử với mục tiêu ban đầu là để giải mã các bức điện được mã hóa bằng máy mã hóa ENIGMA của Đức. Việc giải mã đòi hỏi khối lượng tính toán khổng lồ, yêu cầu phải có máy tính điện tử.

Một số máy tính điện tử nổi tiếng thuộc thế hệ thứ nhất:

Máy Colosus: được nhà toán học người Anh là Alan Turing lãnh đạo việc thiết kế và chế tạo, được đưa vào sử dụng năm 1943 và được chính phủ Anh giữ bí mật hoàn toàn trong 30 năm liền.

Máy ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator): được giáo sư người Mỹ là John Mauchley và học trò của ông là J. Presper Eckert thiết kế và chế tạo, đưa vào sử dụng năm 1946. Các tác giả của máy ENIAC đã tổ chức một trường hè để trình bày về công trình của mình trước các nhà khoa học đồng nghiệp; chính trường hè này đã gây ra sự bùng nổ về nghiên cứu chế tạo máy tính điện tử cỡ lớn. Một trong những người bị dự án ENIAC lôi cuốn là John von Neumann, thiết kế cơ sở của ông được gọi là máy von Neumann, đó là chiếc máy tính điện tử đầu tiên có chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ, cho đến nay vẫn là cơ sở cho hầu hết các máy tính điện tử số [xt. Kiến trúc Neumann].

Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng Transistor (1955-1965)

Transistor được sáng chế ra ở phòng thí nghiệm Bell năm 1948; những người sáng chế ra transistor đã được tặng giải thưởng Nobel về vật lý năm 1956. So với đèn điện tử, transistor có chức năng tương tự, tuy nhiên, transistor có ưu điểm rất lớn là tiêu thụ năng lượng ít hơn, tuổi thọ và độ tin cậy cao hơn và kích thước nhỏ hơn. Vì vậy, người ta đã tập trung nghiên cứu sử dụng transistor thay thế cho đèn điện tử trong các máy tính điện tử đã có và thiết kế các máy tính mới hoàn toàn sử dụng transitor. Trong khoảng thời gian mười năm sau khi transistor ra đời, một cuộc cách mạng trong lĩnh vực máy tính điện tử đã xảy ra; cho đến khoảng cuối những năm 1950 các máy tính dùng đèn điện tử đã trở nên lỗi thời.

Một số máy tính điện tử sử dụng transitor nổi tiếng:

• TX-0 (Transistorized eXperimental computer 0): chiếc máy tính điện tử dùng transistor đầu tiên được chế tạo ở phòng thí nghiệm Lincoln.

• PDP-1: được hãng DEC sản xuất năm 1960 dựa trên thiết kế của máy TX-0. So với máy 7090 của hãng IBM là máy tính điện tử dùng transistor chạy nhanh chất thế giới vào thời gian đó, PDP-1 có năng suất bằng khoảng một nửa nhưng giá chỉ bằng khoảng một phần mười.

• PDP-8: ra đời năm 1965, có giá rẻ hơn PDP-1 rất nhiều. Máy PDP-8 có một đổi mới chính là chỉ dùng một bus, đó là omnibus. Từ đó trở đi hầu hết các máy tính điện tử nhỏ đều phỏng theo kiến trúc này.

• IBM 7094: ra đời năm 1962, đánh đấu sự kết thúc của các máy kiểu ENIAC và đã thống trị lĩnh vực tính toán khoa học một số năm sau đó.

• CDC 6600: ra đời năm 1964 và là siêu máy tính đầu tiên trên thế giới, chạy nhanh hơn máy IBM 7094 gần một bậc nhờ bí quyết là CPU được thiết kế kiểu song song ở mức cao.

Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng Mạch tích hợp (1965-1980)

Việc phát minh ra mạch tích hợp (cg. là mạch vi điện tử - IC) cho phép có thể đặt hàng chục transistor trong một vỏ/chip, nhờ đó người ta có thể chế tạo các máy tính nhỏ hơn, nhanh hơn và rẻ hơn các máy tính dùng transistor ra đời trước nó.

Một số máy tính điện tử nổi tiếng thuộc thế hệ thứ ba:

• System/360 của IBM: đây là cả một họ máy ra đời năm 1964, được thiết kế nhằm cho các tính toán khoa học và thương mại, chứa đựng rất nhiều điểm mới: tính tương thích cao, đặc tính đa chương trình và Có thể quản lý bộ nhớ rất lớn v.v.

• PDP-11 của hãng DEC ra đời năm 1970, đây là một máy tính loại mini được sử dụng rộng rãi nhất vào thập kỷ 70 của thế kỷ trước.

== Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng mạch tích hợp cỡ lớn - VLSI (1980 -)

Vào khoảng năm 1980, công nghệ vi điện tử đã có thể chế tạo các mạch tổ hợp ở mức độ rất cao - VLSI (Very Large Scale Integrator), trong một chip có thể có hàng trăm nghìn, thậm chí hàng triệu transistor. Nhờ việc sử dụng VLSI mà máy tính ngày càng nhỏ hơn, chạy nhanh hơn và rẻ hơn, đến mức trở nên “vừa túi” nhiều người và kỷ nguyên máy tính cá nhân bắt đầu.

Dựa trên kích thước vật lý, hiệu suất và lĩnh vực ứng dụng, người ta chia máy tính điện tử một cách tương đối làm 5 loại chính sau đây (theo cách phân chia này máy tính cá nhân chủ yếu thuộc thế hệ thứ tư):

• Máy tính cá nhân - PC (Personal Computer), cg. là máy vi tính (microcomputer), được thiết kế nhằm cho một người sử dụng. Có loại PC để bàn (desktop), có loại gọn nhẹ hơn có thể mang xách được dễ dàng (laptop, notebook). Một số máy tính PC nổi tiếng: IBM/PC, IBM/AT của hãng IBM; Apple II, Macintosh của hãng Apple v.v.

• Máy tính mini (minicomputer): máy tính cỡ trung bình, kích thước thường lớn hơn PC, sức mạnh tính toán và năng lực vào/ra cũng cao hơn. Máy tính mini được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thời gian thực, như điều khiển không lưu, tự động hoá sản xuất. Máy tính mini thường được nối với các máy tính lớn để hỗ trợ nó. Một số máy tính mini nổi tiếng: PDP-1, PDP-8, PDP-11, VAX 11/780 của hãng DEC.

• Máy tính siêu mini (supermini): máy tính mini có tốc độ xử lý nhanh nhất trong họ mini ở những thời điểm nhất định.

• Mainframe: máy tính lớn có năng lực vào/ra và kết nối mạng đặc biệt cao. Mainframre thường có các đặc điểm thiết kế được thừa kế từ các máy IBM-360 và CDC 6600 của hãng Cray, vì vậy thường được coi là hậu duệ của chúng. Một số máy tính mainframe nổi tiếng nhất: 7094, System/360, nhóm máy System z của hãng IBM.

• Supercomputer: máy tính được thiết kế đặc biệt để đạt tốc độ thực hiện các phép tính dấu phảy động cao nhất có thể được. Chúng thường có kiến trúc song song, chỉ hoạt động có hiệu quả cao trong một số lĩnh vực. Các máy tốc độ nhỏ hơn một tỉ phép tính dấu phảy động trong một giây không thể gọi là supercomputer. Một số supercomputer nổi tiếng nhất: IBM SP (2000), Cray-1 (1976), Cray MTA (2000), Cray XD-1 (2004).

Thế hệ thứ năm (1981 -)

Năm 1981 chính phủ Nhật loan báo kế hoạch chi 500 triệu đô-la hỗ trợ các công ty phát triển máy tính điện tử thế hệ thứ năm dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI) và sự nhảy mức lượng tử. Sau một thời gian được bàn luận nhiều trên các phương tiện truyền thông, dự án máy tính điện tử thế hệ 5 đã bị bỏ rơi trong im lặng. Tuy nhiên, có những máy tính được gọi là thuộc thế hệ thứ 5 đã ra đời theo một cách không ngờ: đó chính là các máy tính thu nhỏ, có khả năng kết nối mạng mạnh mẽ và có giao diện thuận lợi cho người dùng.

Một số máy tính điện tử điển hình thuộc thế hệ thứ năm:

• Máy GridPad: do công ty Grid Systems sản xuất và bán ra thị trường vào năm 1989. GridPad khác hẳn các máy tính điện tử ra đời trước đó ở chỗ nó có thể cầm được trên tay một cách thuận lợi, có màn hình cảm ứng (touch-screen) và có khả năng nhận dạng chữ viết tay. Gridpad được coi là máy tính bảng đầu tiên được bán trên thị trường.

• Máy Apple Newton: ra đời năm 1993, tương tự GridPad, nhận input là chữ viết tay. Apple Newton được coi là máy tính cầm tay (palmtop) đầu tiên được bán trên thị trường. Người ta thường gọi loại máy này là PDA (Personal Digital Assistants), nghĩa là thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số, nó sẽ tiến hóa thành điện thoại thông minh.

• Điện thoại thông minh (smartphone): Khi điện thoại di động kiểu tế bào (cell phone) trở nên thông dụng vào những năm 1990, IBM nhìn thấy cơ hội tích hợp cell phone với PDA và đến năm 1992 đã sáng chế ra smartphone đầu tiên được đặt tên là Simon. Máy này dùng màn hình cảm ứng làm thiết bị vào, đem lại cho người sử dụng một thiết bị có các chức năng của cả PDA, điện thoại, máy chơi games và gửi email. Việc thu nhỏ kích thước các thành phần và giảm giá dẫn đến việc sử dụng rộng rãi smartphone.

Sự ra đời của PDA và điện thoại thông minh chưa phải là một cuộc cách mạng thật sự, cuộc “cách mạng” thật sự là sự ra đời của các máy tính không nhìn thấy được, chúng được nhúng trong các trang thiết bị, đồng hồ, thẻ ngân hàng và vô số các thiết bị khác nhau.

Thế hệ thứ năm của máy tính điện tử mới đang ở trong giai đoạn đầu của sự phát triển. Người ta cho rằng các máy tính điện tử thuộc thế hệ này phải có các đặc điểm nổi bật so với các thế hệ trước, đó là sự kết hợp của các VLSI với các kỹ thuật tính toán, bao gồm trí tuệ nhân tạo và xử lý phân tán.

Tài liệu tham khảo

1. A. S. Tannenbaum, Structured Computer Organization, 6th Edition, Pearson, 2013. ISBN 10: 0-13-291652-5, ISBN 13: 978-0-13-291652-3. 2. William Stallings, Computer Organization and Architecture: Design forPerformance, 9th Edition, Pearson, 2013. ISBN 10: 0-13-293633-X, ISBN 13: 978-0-13-293633-0. 3. Microsoft Computer Dictionary, Fifth Edition, Microsoft Press, 2002. ISBN 0-7356-1495-4.