संगणकाचे ‘शरीरशास्त्र’

संगणकाचे हार्डवेअर म्हणजे संगणकाचे विविध भाग. हे विविध भाग संगणकाचे अवयवच असतात. मानवी शरीराच्या अवयवांप्रमाणेच संगणकाचे हे अवयव विशिष्ट कामे पार पाडत असतात. कालानुरूप या हार्डवेअरच्या स्वरूपात बदल होत गेले असले, तरी त्यांचे कार्य तेच राहिले आहे. संगणकाची ओळख करून घ्यायची तर संगणकाच्या या हार्डवेअरची माहिती हवीच…

---

जगाच्या इतिहासात दुसऱ्या महायुद्धाला अनन्यसाधारण महत्त्व आहे. जगाचा भूगोल बदलायच्या अॅडॉल्फ हिटलरच्या महत्त्वाकांक्षेनं जगाचा इतिहास रक्तरंजित केला. पण याच महायुद्धानं संगणक तंत्रज्ञानाचा विकास त्वरेनं होण्यास हातभार लावला हे विश्वास ठेवायला अवघड असलं तरी खरं आहे.

दुसऱ्या महायुद्धाच्या काळात रडार तंत्रज्ञान विकसित झालं होतं. त्यामुळं शत्रूनं फेकलेल्या क्षेपणास्त्राबाबतची सर्व माहिती उपलब्ध होऊ शकत होती. रडारनं दिलेली माहिती आणि गतीचे नियम, यांच्या मदतीनं शत्रूच्या क्षेपणास्त्राचा मार्ग आणि लक्ष्य कळणं सहजशक्य होतं. पण यासाठी लागणारी आकडेमोड होईपर्यंत इतका वेळ जायचा, की तोवर शत्रूचं क्षेपणास्त्र त्याच्या लक्ष्यावर येऊन आदळलेलं असायचं. या परिस्थितीत अशा एका गणनयंत्राची गरज होती, की जे दोन गोष्टी साध्य करू शकेल. पहिली गोष्ट म्हणजे, रडारद्वारे मिळालेली शत्रूच्या क्षेपणास्त्राची माहिती घेऊन हे गणनयंत्र इतक्या जलद आकडेमोड करेल, की ज्याद्वारे शत्रूच्या क्षेपणास्त्राचा मार्ग लगेचच कळेल. दुसरी गोष्ट म्हणजे हे गणनयंत्र हेही त्वरीत सांगू शकेल, की शत्रूनं सोडलेल्या क्षेपणास्त्राचा हवेतच वेध घेण्यासाठी आपलं क्षेपणास्त्र कोणत्या दिशेनं आणि किती वेगानं फेकायला पाहिजे. या कारणामुळं युद्धभूमीवर अतिजलद गणनयंत्राची गरज भासू लागली आणि असं अतिजलद गणनयंत्र युद्धकाळात उपलब्ध होण्यासाठी कितीही पैसा खर्च करायची तेव्हा अमेरिकन सरकारची तयारी होती.

याच पार्श्वभूमीवर, अमेरिकेतल्या पेन्सिल्व्हानिया विद्यापीठातील ‘मूर स्कूल ऑफ इलेक्ट्रिकल इंजिनिअरिंग’मध्ये जॉन मॉचली आणि जे. पेस्पर एकर्ट या द्वयीनं एका अतिजलद गणनयंत्राला जन्म दिला. या गणनयंत्राचं नाव होतं ‘एनिएक’. महायुद्धाच्या समाप्तीनंतर १५ फेब्रुवारी, १९४६ रोजी अधिकृतरीत्या हा संगणक राष्ट्राला अर्पण करण्यात आला. ज्या महायुद्धाची गरज म्हणून एनिएकची निर्मिती करण्यात आली, त्या महायुद्धात मात्र तो वापरला गेला नाही. पण मानवी इतिहासातल्या एका महत्त्वाच्या अध्यायाची सुरुवात मात्र त्यानं केली. संगणकयुगाची मुहूर्तमेढ इथंच घातली गेली.

या एनिएक संगणकाला आज्ञा देण्याचं, म्हणजे त्याचं प्रोग्रामिंग करायचं काम हे अत्यंत कटकटीचं होतं. कारण, तोवर हार्डवेअर आणि सॉफ्टवेअर अशा संगणकशास्त्राच्या दोन वेगळ्या शाखा निर्माण झाल्या नव्हता. सर्वकाही हार्डवेअरच्या माध्यमातूनच होत असे. एनिएक संगणकाला द्यायच्या आज्ञा या, त्या संगणकाचं वायरिंग बदलून दिल्या जात होत्या. हे वायरिंग बदलणं सुलभतेनं व्हावं म्हणून त्यात प्लगबोर्ड आणि त्याला क्लिपद्वारे जोडणाऱ्या ‘जंपर केबल’ वापरल्या जात होत्या. गंमत म्हणजे, या पद्धतीनं एनिएकचं वायरिंग सतत बदलून त्याला आज्ञा द्यायचं किचकट काम करणाऱ्या चमूत सर्व बायकाच होत्या.

याच दरम्यान, रेल्वे स्टेशनवर गाडीची वाट पाहत असताना एनिएकच्या चमूतील वैज्ञानिक हर्मन गोल्डस्टाइन यांची, महान अमेरिकन-हंगेरियन गणितज्ञ आणि वैज्ञानिक जॉन फॉन न्यूमान यांच्याशी भेट झाली आणि दोघांमध्ये एनिएकबाबत सहज चर्चा झाली. त्या वेळी न्यूमान हे जगातला पहिला अणुबॉम्ब बनवण्याच्या मॅनहटन प्रकल्पावर काम करत होते. त्यासाठी लागणाऱ्या प्रचंड आकडेमोडीसाठी एनिएकचा उपयोग कसा करून घेता येईल या विचारानं न्यूमानच्या मनात घर केलं होतं. त्यामुळं मूर स्कूल ऑफ इलेक्ट्रिकल इंजिनिअरिंगच्या, एनिएकनंतरच्या ‘एडवॅक’ संगणकाच्या प्रकल्पात न्यूमान यांनी रस घेतला आणि त्यात त्यांची विशेष सल्लागार म्हणून नेमणूकही झाली.

एनिएक संगणक वेगवेगळ्या आज्ञावल्यांचं पालन करू शकत होता, पण त्याला दिलेली आज्ञावली बदलायचं काम अत्यंत जिकिरीचं होतं. न्यूमान यांच्या हे लक्षात आलं, की आज्ञावली, आणि ही आज्ञावली ज्या माहितीवर काम करणार ती माहिती, या दोन्ही गोष्टी संगणकाच्या आत एकाच ठिकाणी साठवल्या आणि संगणकाच्या नियंत्रकानं आज्ञावलीचा अर्थ लावून त्यानुसार त्या माहितीवर काम केलं, तर संगणकाची कार्यपद्धती सोपी होईल. या विचारमंथनाचा परिपाक म्हणून १९४५ साली त्यांनी एक शोधनिबंध लिहिला आणि त्या शोधनिबंधात संगणकाचा एक आराखडा मांडला. हा आराखडा जगभर ‘जॉन फॉन न्यूमान संगणक आराखडा’ म्हणून ओळखला जातो आणि आजचा संगणकही याच आराखड्यानुसार बनवला जातो.

मानव हा आपल्या कान, डोळ्यांसारख्या ज्ञानेंद्रियांच्या माध्यमातून आजूबाजूच्या जगाशी संपर्क साधत असतो. संगणकाच्या ज्ञानेंद्रियांना म्हणजे संगणक ज्या साधनांच्या माध्यमातून माहिती मिळवतो, त्यांना ‘इनपुट साधनं’ असं म्हणतात. इनपुट साधनांच्या माध्यमातून आज्ञावली आणि ज्यावर ही आज्ञावली काम करते, ती माहिती संगणकाच्या स्मृतीत म्हणजे मेमरीत साठवली जाते. इनपुट साधन म्हणून कीबोर्ड सर्वांत लोकप्रिय असला, तरी माहितीच्या स्वरूपानुसार वेगवेगळी इनपुट साधनं वापरली जातात. प्रिंटर आणि मॉनिटर ही सर्वांना माहीत असलेली दोन लोकप्रिय आउटपुट साधनं. गणकाचा जगाशी होणारा संवाद सहजसाध्य करणारी ही इनपुट साधनं आणि आउटपुट साधनं म्हणजे संगणकाची संवादसाधनं म्हणता येतील.

जगातील कोणताही संगणक, मग तो कितीही आधुनिक असो, फक्त चारच कामं करू शकतो. बाहेरून संगणकाला माहिती पुरवल्या जाणाऱ्या इनपुट साधनांच्या आणि संगणकातून माहिती बाहेर पाठवल्या जाणाऱ्या आउटपुट साधनांच्या साहाय्यानं तो संगणकाबाहेरील जगाशी संवाद साधू शकतो; तो मूलभूत आकडेमोड करू शकतो; तो दोन संख्यांची तुलना करून त्यांतील छोटी-मोठी संख्या ठरवू शकतो; आणि तो आपल्या केंद्रीय प्रक्रिया विभागातल्या (सेंट्रल प्रोसेसिंग युनिट – सीपीयू) उपविभागांत माहितीची फिरवाफिरव करू शकतो. या सीपीयूमध्ये स्वतःच्या कामापुरती वापरली जाणारी छोटी स्मृती आणि नियंत्रक (कंट्रोल युनिट) ही दोन साधनं असतात. या दोन साधनांशिवाय सीपीयूमध्ये ॲरिथमॅटिक लॉजिक युनिट (एएलयू) हे साधनही असते. या एएलयू साधनाद्वारे सर्व आकडेमोडी आणि तुलना केल्या जातात. सीपीयूतील स्वतःच्या छोट्या स्मृतीशिवाय संगणकात मुख्य स्मृतीचा विभागही असतो.

न्यूमानच्या आराखड्यानुसार संगणकात इनपुट व आउटपुट साधनांबरोबर एएलयू असणारे सीपीयू आणि मुख्य स्मृतीबरोबरच एक दुय्यम (सेकंडरी) स्मृती विभागही असायला हवा, जो मुख्य स्मृती विभागाबरोबर काम करतो. हार्ड डिस्क हे सर्वांना माहित असलेलं दुय्यम स्मृती विभागाचं एक उदाहरण.

सीपीयू विभाग हा या सर्व विभागांवर नियंत्रण ठेवतो. संगणकातील सीपीयू विभाग दिलेल्या आज्ञावल्यांचा अर्थ लावतो. त्यांतील आज्ञेनुसार संगणकात काही माहिती घ्यायची असेल, तर इनपुट साधनांच्या माध्यमातून संगणक ती माहिती घेतो आणि स्मृती विभागात ठेवतो; जर आकडेमोड अथवा तुलना करायची असेल, तर एएलयूच्या मदतीनं तो हे काम करतो आणि त्याचं उत्तरही स्मृती विभागात ठेवतो; आणि जर तशी आज्ञा असेल, तर आज्ञावलीमधल्या आज्ञांची अंमलबजावणी झाल्यानंतर मिळणारं उत्तर स्मृतीतून आउटपुट साधनाकडे पाठवतो. हे आउटपुट साधन, सर्वसामान्य माणसाला सहज कळेल अशा स्वरूपात हे उत्तर बाहेर पाठवतं.

एनिअॅकआधीच्या सर्व गणनयंत्रांत आणि एनिअॅकमध्ये सर्वांत महत्त्वाचा फरक होता तो म्हणजे, तोवरची सर्व गणनयंत्रं ही यांत्रिकी अभियांत्रिकीची (मेकॅनिकल इंजिनिअरिंग) निर्मिती होती, तर एनिअॅक हे इलेक्ट्रॉनिक गणनयंत्र होतं. कोणत्याही यांत्रिकी अभियांत्रिकीच्या यंत्राप्रमाणे तोवरच्या यांत्रिकी गणनयंत्रांमध्ये गिअर, पुली, दोऱ्या अशा गोष्टींचा अंतर्भाव असायचा. अशा यांत्रिकी गणनयंत्रात माहिती भरताना, त्याच्यावर प्रक्रिया करताना आणि त्याचं उत्तर मिळतानाही या सर्व वस्तूंची हालचाल व्हायची. या सर्व क्रियेत संगणकाकडून उत्तर मिळायला बराच वेळ लागायचा. याउलट, इलेक्ट्रॉनिक यंत्रात कोणताही भाग जागेवरून न हलता, फक्त विद्युतप्रवाहाच्या मदतीनं उत्तर मिळतं आणि म्हणूनच ते क्षणार्धात मिळतं.

संगणकातील इलेक्ट्रॉनिक्स तंत्रज्ञानाचा सर्वांत महत्त्वाचा घटक होता, विद्युत्प्रवाहासाठी कळ (स्विच) म्हणून किंवा वर्धकाचा (अॅम्लिफायर) भाग म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या निर्वात नळ्या (व्हॅक्यूम ट्यूब). निर्वात नळीमध्ये एक धातूचा पत्रा, त्याभोवताली गुंडाळलेल्या धातूच्या तारेतून सोडलेल्या विद्युत्प्रवाहाच्या मदतीनं तापवला जातो. त्या उष्णतेमुळं या पत्र्यातून इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होतात आणि त्याच निर्वात नळीमधल्या एका धनभारित पट्टीकडे आकर्षित होऊन निर्वात नळीत विद्युत्प्रवाह वाहतो. एनिएक संगणकामध्ये अशा सुमारे १७,४०० निर्वात नळ्या, ७०,००० रेझिस्टर, १०,००० कपॅसिटर, ६,००० हातानं चालू-बंद करायच्या कळा आणि ५०,००,००० सोल्डर केलेले सांधे होते. या संगणकाचं वजन ३० टन होतं, यानं १७० चौरस मीटर जागा व्यापली होती. हा संगणक चालवण्यासाठी तब्बल १६० किलोवॅट पॉवरची गरज होती. म्हणजे हा संगणक एक तास चालवला की १६० युनिट विजेचा वापर व्हायचा.

निर्वात नळ्यांचं मूलभूत तत्त्व हेच मुळी उष्णतेनं होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनच्या उत्सर्जनावर आधारित असल्यानं आणि एनिएक संगणकामध्ये इतक्या मोठ्या प्रमाणात अशा निर्वात नळ्या एकत्र असल्यानं, तो चालवताना प्रचंड उष्णता निर्माण होत असे. इतकी की, या उष्णतेला काबूत ठेवायला एक वेगळं वातानुकूलन यंत्र लागत असे. इतकंच नव्हे, तर या उष्णतेनं इतक्या नळ्यांमधल्या कुठल्यातरी निर्वात नळीतली पत्र्याभोवती गुंडाळलेली तार जळून जाऊन त्यातून होणारा विद्युत्प्रवाह खंडित व्हायचा आणि पर्यायानं संगणक काम करणं थांबवायचा. इतक्या निर्वात नळ्यांमधून तार जळून गेलेली ‘जळकी’ निर्वात नळी शोधून काढणं हे एक कठीण काम होतं. सुरुवातीला दररोज काही नळ्या जळायच्या आणि संगणक जेमतेम अर्धा वेळ काम करू शकायचा. पण त्याची आकडेमोडीची क्षमता एवढी होती, की एनिएक जेव्हा काम करायचा, तेव्हा अर्ध्या तासात तो जे काम करायचा ते त्याच्या मदतीशिवाय करायला चक्क बाराशे मनुष्यतास लागायचे. आधुनिक तंत्रज्ञानामुळं हळूहळू अधिक चांगल्या दर्जाच्या निर्वात नळ्या उपलब्ध झाल्यावर या नळ्यांच्या वापरामुळं त्याची विश्वासार्हता वाढली खरी, पण तरीही दिवसाआड एखादी नळी तरी जळायची. मात्र, तोपर्यंतच्या अनुभवामुळं पंधरा मिनिटांत तंत्रज्ञांना ती जळकी नळी सापडायचीही. कोणताही व्यत्यय न येता सलग, सर्वांत जास्त वेळ एनिएक एकशे पंधरा तास चालला तो १९५४ साली.

यानंतर १९५० च्या दशकात निर्वात नळ्यांना, सेमिकंडक्टर, म्हणजे अर्धवाहकांचा वापर केलेल्या ट्रान्झिस्टरचा पर्याय उपलब्ध झाला आणि इलेक्ट्रॉनिक्स तंत्रज्ञानात पहिली क्रांती झाली. या क्रांतीचा फायदा संगणक क्षेत्रानंही उठवला आणि हळूहळू संगणकात निर्वात नळ्यांऐवजी ट्रान्झिस्टरचा वापर करण्यात येऊ लागला. इलेक्ट्रॉनिक संगणकाच्या पहिल्या पिढीत निर्वात नळ्या वापरण्यात आल्या होत्या. त्यांची जागा संगणकाच्या या दुसऱ्या पिढीत ट्रान्झिस्टरनी घेतली. निर्वात नळीच्या तुलनेत ट्रान्झिस्टरचा आकार खूपच छोटा असल्यानं ट्रान्झिस्टर वापरलेल्या संगणकाचा त्याच्या पूर्वसुरींच्या तुलनेत खूप छोटा झाला. त्याचप्रमाणे, ट्रान्झिस्टरच्या कार्यप्रणालीत उष्णतेला स्थान नसल्यानं अशा संगणकातून उत्सर्जित होणारी उष्णताही खूप कमी झाली. पर्यायानं संगणकाबरोबर लागणाऱ्या वातानुकूलन यंत्राची गरजही संपली. निर्वात नळी जळून जाण्याचा धोका ट्रान्झिस्टरमध्ये नसल्यानं संगणक बिघडण्याचं प्रमाण मोठ्या प्रमाणावर घटलं. पण संगणकात वेगवेगळ्या हजारो निर्वात नळ्यांऐवजी वेगवेगळे हजारो ट्रान्झिस्टर वापरले गेले असल्यानं त्यांतील एखादा ट्रान्झिस्टर जरी बिघडला, तरी संगणक काम करणं थांबवायचा. त्यानंतर हजारो ट्रान्झिस्टरमधून बिघडलेला ट्रान्झिस्टर शोधणं कर्मकठीण असे. त्यामुळं या दुसऱ्या पिढीतला संगणक पहिल्या पिढीच्या संगणकाच्या तुलनेत फारसा आजारी पडत नसला, तरी जेव्हा कधी तो आजारी पडत असे, तेव्हा त्याच्या आजारपणाचं निदान व्हायला खूपच वेळ लागत असे.

सन १९५८च्या सुमारास इलेक्ट्रॉनिक अभियांत्रिकीत अजून एक महत्त्वाचा शोध लागला. इंटिग्रेटेड सर्किट म्हणजे थोडक्यात ‘आयसी’ हाच तो शोध! अमेरिकेतील टेक्सास इन्स्ट्रुमेन्ट्सच्या जॅक किल्बी यांनी लावलेल्या या क्रांतिकारी शोधासाठी त्यांना २००० सालचं भौतिकशास्त्राचं नोबेल पारितोषिकही मिळालं. या तंत्रज्ञानाच्या माध्यमातून सिलिकॉनसारख्या अर्धवाहकाच्या एका अत्यंत पातळ आणि छोट्याशा पृष्ठभागावर हजारो ट्रान्झिस्टर जणू पेरले जातात. हजारो ट्रान्झिस्टर असलेल्या एखाद्या मोठ्या सर्किटची जागा एक छोटासा आयसी घेऊ शकतो आणि तो मूळ सर्किटच्यासारखं काम करू शकतो. हे आधुनिक तंत्र प्रत्यक्षात रुजायला थोडा वेळ लागला. पण जेव्हा हे तंत्र स्थिरावलं, तेव्हा ते वापरणाऱ्या संगणकाच्या तिसऱ्या पिढीचा जन्म झाला. दुसऱ्या पिढीच्या, म्हणजे ट्रान्झिस्टर वापरून बनवलेल्या संगणकाच्या तुलनेत ही संगणकाची पिढी अजून पुढारलेली होती. हजारो ट्रान्झिस्टरच्या जागी एक छोटीशी आयसी वापरली जात असल्यामुळं या पिढीतला संगणक आकारानं अजून छोटा झाला. मोठ्या सर्किटच्या सर्व क्रिया आयसीअंतर्गतच होत असल्यानं संगणकाचा आकडेमोडीचा वेग वाढला. त्याचप्रमाणे, आयसी स्वस्त असल्यानं तो वापरून बनवलेला संगणकही स्वस्त झाला. त्याची बिघडायची शक्यता मोठ्या प्रमाणात कमी झाली आणि बिघडलाच, तर केवळ आयसी बदलून तो पटकन दुरुस्त होऊ लागला.

सुरुवातीला संगणकात जे आयसी वापरले जात होते, ते इलेक्ट्रॉनिक्स अभियांत्रिकीतील वेगवेगळ्या कामांना विचारात घेऊन बनवले होते, ते फक्त संगणकासाठी नव्हते. त्यामुळं संगणकात या आयसींसोबत इतर वेगळी सर्किटही वापरली जात होती. पण जसजसा संगणकाचा विकास व्हायला लागला आणि आयसी तंत्रज्ञानही प्रगत व्हायला लागलं, तसतसं फक्त संगणक तंत्रज्ञानाची गरज भागवेल अशा खास आयसीच्या उत्पादनाची मागणी जोर धरू लागली. याला इलेक्ट्रॉनिक अभियांत्रिकीमधील ‘व्हेरी लार्ज स्केल इंटिग्रेटेड सर्किट्स’ म्हणजे थोडक्यात ‘व्हीएलआयसी’ या तंत्रज्ञानाची साथ मिळाल्यामुळं अक्षरशः लाखो ट्रान्झिस्टर एका अगदी छोट्या चिपवर बसवणं शक्य झालं आणि आयसीचा आकार आणखीनच छोटा झाला. आणि साधारणपणे १९७१ साली यातूनच संगणकाच्या चौथ्या पिढीची सुरुवात झाली! या तंत्रज्ञानानुसार केवळ एका आयसीमध्ये अख्खा संगणक मावू लागला आणि तो तिसऱ्या पिढीच्या संगणकापेक्षा छोटा, स्वस्त, जलद, विश्वासार्ह आणि स्वस्तही झाला.

१९८१ साली आयबीएम कंपनीनं पहिला वैयक्तिक वापरासाठीचा संगणक पर्सनल कॉम्प्यूटर म्हणजे ‘पीसी’ बनवला आणि काही दिवसांतच तो सर्वत्र दिसायला लागला. हा पीसी म्हणजे संगणकाच्या या चौथ्या पिढीचा सर्वांत लोकप्रिय प्रतिनिधी.

संगणकांच्या पिढ्यांचा, निर्वात नळी ते ट्रान्झिस्टर, ट्रान्झिस्टर ते आयसी, आयसी ते व्हीएलआयसी असा हा प्रवास. आज आपण जे संगणक वापरतो, ते संगणक चौथ्या पिढीतलेच आहेत. परंतु, आत्ताच वैज्ञानिकांना संगणकाच्या पाचव्या पिढीची स्वप्नं पडू लागली आहेत – आणि ही स्वप्नं आहेत ती कृत्रिम बुद्धिमत्ता वापरणाऱ्या संगणकाची!

— मकरंद भोंसले

मराठी विज्ञान परिषदेच्या पत्रिका या मासिकातून साभार…