التعريف البسيط لجهاز الكمبيوتر هو أنه حاسوب يستخدم النظام الثنائي للعَد باستخدام النبضات الكهربائية، هذه النبضات الكهربائية تكون قيمتها إما صفر فولت أو خمسة فولت، وتعرف لدى مهندسين الكمبيوتر برقم صفر وواحد.
ولكن كانت بداية إنشاء الحاسبات الكهربائية بالنظام التناظري Analog ثم تحولت فيما بعد للنِظام الرقمي الثنائي Digital وفي أيامنا الحالية يتم تطوير نظام جديد كليا وهو البت الكمي وهو نظام ليس من السهل فهمه بسهولة لأنه يتعامل مع نظريات الكم المعقدة كليا، ولكنه بالتأكيد سيكون نقلة نوعية عند ظهوره للمستخدمين العاديين.
ظهر قبل الكمبيوتر الكهربائي كمبيوتر ميكانيكي على يد العالم تشارلز باباج المهندس الإنجليزي والذي ابتكر مفهوم الكمبيوتر القابل للبرمجة، وكان ذلك في أوائل القرن التاسع عشر، وكان جهازه مصمم للمساعدة في الحسابات الملاحية.
بالطبع لدينا الآن أنواع متعددة للكمبيوتر مثل الحاسب الشخصي Personal Computer واختصاره PC والحاسِبات العملاقة Supercomputers والخوادم Servers ومحَطات العمل Workstations ويتم الآن تطوير الكمبيوتر الكمومي Quantum Computer لدى الشركات الكبرى والجامعات العريقة.
إذا ما هو الكمبيوتر؟
الحاسوب هو جهاز يتم إدخال بيانات له عن طريق طرفيات الإدخال Input Devices مثل لوحة المفاتيح Keyboard والفأرة Mouse والماسح الضوئي Scanner، ولوحة الرسم Graphic Tablet والقلم الضوئي Light Pen والميكروفونات لالتقاط الموجات الصوتية، وأجهزة الواقع الافتراضي لالتقاط حركات أجسادنا، وهناك المئات من أجهزة الإدخال الأخرى.
وبعد إدخال البيانات يتم معالجتها بطرق كثيرة للحصول على مخرجات على طرَفيات للإخْراج Output Devices مثل الشاشة والطابعات بجميع انواعها، وسماعات الرأس ومكبرات الصوت والبرجكتور العارض للمعلومات وغيرها الكثير.
أولا إدخال البيانات من لوحة المفاتيح
نحن نرى ونعرف أن لوحة المفاتيح تنقسم إلى حروف وأرقام ورموز واختصارات سريعة، وعندما تقوم بالضغط على حرف مثل حرف H مثلا فأنت ترسل كود أو نبضات ثنائية لها عدة أنواع من الأنظمة ولكن أولها كان نظام يسمى أسكي ASCII وهو نظام يظهر كما بالشكل التالي:
إذا ما سيتم ارساله هو نبضات بديلة للحرف وهي 01001000 بالنظام الثنائي ومكتوبة هنا بنظام يسمى hexadecimal وهو نظام السداسي عشري، وهذا لأن النظامين لدى المهندسين مترابطين وسهولة معرفة الكود في البرمجة الإبتدائية التي تسمى لغة الأسمبلي Assembly language
ومعها لغة الآلة التي تسمى Machine code، وكما ذكرنا سابقا يتم إرسال تلك النبضات متتاليا وراء بعضها على شكل كهرباء ثابتة بقيمتين إما 5 فولت أو 0 فولت بمعنى رقم واحد يساوي خمسة ورقم صفر يساوي صفر فولت فيصبح المرسل لحرف H بالأرقام الثنائية 01001000 هو بِالفولت الكهربي صفر صفر صفر خمسة صفر صفر خمسة صفر، هذه الثماني وحدات المكونة من واحد وصفر تسمى ثمانية بت bit أو واحد بايت byte وهو المصطلح الشائع في كل العالم.
طبعا نظام أسكي لا يمكن استخدامه في كل الدول، فالصين مثلا حروف لغتها غير معروف ولكن أقل عدد للحُروف لتتعلم اللغة الصينية هو 3500 حرف تقريبا، ويستخدم لها نظام أكثر تطورا، لهذا فيوجد أنواع كثيرة للأنظمة مثل unicode وغيرها، ولكن أيضا يتم الإدخال لكل الانواع بنظام صفر وواحد (صفر وخمسة فولت).
بعد إدخال الحروف والكلمات من طرفية لوحة المفاتيح، فإنه يدخل من خلال الإشارة إلى دائرة متكاملة تسمى COB IC، ويقوم هذا الـ IC بمعالجة الإشارة وإرسالها إلى الكمبيوتر من خلال منفذ PS2 أو USB.
بعد ذلك يتم الإرسال من خلال هذه الدائرة المتكاملة إلى وحدة المعالجة المركزية CPU بنفس النظام الثنائي.
وحدة المعالجة المركزية وماذا يحدث
عندما يصل ما تم ارساله إلى الـ CPU يكون على شكل عدد من البايت bytes من أوامر، فأنت مثلا تقوم بفتح ملف وورد عن طريق الضغط بالفأرة على أيقونته ثم تبدأ في الكتابة للكلمات وتضغط Enter للسطور التالية وهكذا وكل تلك عبارة عن أكواد ثنائية بأوامر يتم إرسالها بالنظام الثنائي والفولتات لتذهب إلى المعالج أو الـ CPU ( وهو إختصار Central Processing Unit أو البروسيسور Processor) ويفهمها داخليا كأكواد يطلق عليها Opcodes هذه الأكواد مثل اضف واطرح واجمع واكتب واقفز وغيرها فمثلا أجمع كودها كالتالي add eax, edx وكود add له العديد من المعاني حسب نوع المعالج الذي يستخدم فمثلا معالج إنتل القديم جدا الذي يعتبر من أوائل المعالجات يكون له قيمة ومعنى فيه وفي المعالج من الجيل العاشر من إنتل وما بعده له معنى، يعتبر هذا الـ Opcode هو لغة الآلة والذي كان يستخدم بواسطة مبرمجين لغة الأسمبلي Assembly language قديما، الأوامر التي تتلو add هي عبارة عن ما يسمى instruction set ولها ثوابت في كل معالج من المعالجات سواء من إنتل أو AMD أو ما سبقهم أو حتى معالجات الهواتف الذكية المختلفة للشركات المختلفة ولها كتب عالمية كثيرة جدا لشرحها نظرا لأنه لا يمكن حصر عدد المعالجات منذ بدايتها وحتى الآن.
ما مكونات الكمبيوتر
الكمبيوتر هو عبارة عن عتاد بمعنى المكونات المادية المحسوسة التي تراها Hardware ونظم تشغيل وبرمَجيات Software، العتاد للكمبيوتر الشخصي هو الصندوق الخارجي Case وبداخله يوجد اللوحة الأم Motherboard ويركب عليها مزود الطاقة Power Supply الذاكرة العشوائية RAM والذاكرة الثابتة ROM والتي تستخدم لحث الحاسوب على البدء حيث يوجد بها برنامج يسمى الـ BIOS لبدء العمل، وعلى اللوحة الأم أيضا يتم توصيل مخزن المحفوظات Storage مثل ال SSD أو القرص الصلب القديم، ويوجد أهم مكون وهو البروسيسور أو باللغة العربية المعالج CPU ويوجد أيضا حاليا بشكل داخلي للمعالج أو بشكل منفصل وحدة معالجة الرسوميات الـ GPU أو Graphic Processor Unit وفي الحالة المنفصلة يتم تركيب وحدة الرسوميات مع ذاكرة عشوائية منفصلة ومخصصة له فقط.
طبعا يتم توصيل مكونات طرفية خارج الصندوق مثل الشاشة ولوحة المفاتيح والفأرة بشكل أساسي، مع فرعيات مثل الطابعات Printer والماسحات الضوئية Scanner وغيرها، أنظر الشكل للمكونات وهي بالأرقام كالتالي:
- الماسح الضوئي
- المعالج
- الذاكرة العشوائية
- منفذ الملحقات الإضافية PCI
- مزود الطاقة
- دي في دي
- مخزن البيانات
- اللوحة الأم
- السماعات الخارجية
- الشاشة
- تطبيقات برمجية
- نظام التشغيل
- لوحة المفاتيح
- الفأرة
- مزود طاقة احتياطي UPS
- الطابعة
الكمبيوتر الكمي أو الحاسوب الكمومي
منذ فترة سلطت إنتل الضوء على المبادرات البحثية حول الكمبيوتر الكمي والى اين وصل ، خلال المناقشة حول الحوسبة الكمية وقدمت إنتل شريحة التحكم الكمي للجيل الثاني من هورس ريدج.
تمت الاشارة الى الطرق التي تنتشر بها التقنيات المستقبلية والتطورات الأخرى، في حدث إنتل وتم عرض بعض الامثلة مثل تقنيات التنميط الجيني واختبارات الحمض النووي المتاحة للبعض لكنها غير متوفرة على نطاق واسع لسكان العالم وايضا تمت الاشارة الى تطور البيانات الضخمة Big Data من الناحية التكنولوجية وتم تعريف كيفية نقل كميات هائلة من البيانات وتخزينها وتحليلها وتأمينها وحسابها على نطاق واسع، وظهر ما تم من تغطية للكوكب بشكل متزايد بأجهزة استشعار وما يتم إنشاؤه من كميات هائلة من البيانات الجديدة كل يوم.
نحن بحاجة إلى تحسينات ضخمة عبر مجالات مختلفة من التكنولوجيا تشمل الحوسبة والذاكرة، تعتقد إنتل أن هذه التحسينات تتطلب طريقة جديدة في التفكير، حيث يجب على الخبراء التعاون في جميع مجالات المعرفة والعلوم والتكنولوجيا المتعددة، أحد هذه المجالات هو الحوسبة الكمومية.
كانت الحوسبة الكمية مجالًا نشطًا حقًا للبحث في السنوات الأخيرة ، مع عدد من الشركات المختلفة التي تعمل عليها، تمتلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية بعض الخصائص الفريدة التي تمنحها القدرة على أن تكون أقوى بكثير من أجهزة الكمبيوتر التي لدينا اليوم.
أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية محدودة على الرغم من كفاءتها
المعالج والذاكرة وغيرها من المكونات لأجهزة الكمبيوتر مصنوعة من ما يعرف باسم الترانزستورات وهو تقريبًا بحجم الذرة ولكننا نحتاج إلى إيجاد طريقة جديدة تمامًا للتفكير في أجهزة الكمبيوتر وبنائها، على الرغم من أن الكمبيوتر الكلاسيكي يساعدنا في القيام بالعديد من المهام الصعبة إلا أنه تحت في الحقيقة مجرد آلة حاسبة تستخدم سلسلة من البت قيمتا 0 و 1 لتمثيل حالتين (يشبه ذلك مفتاح التشغيل وإيقاف التشغيل) ، لا يُقصد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تحل محل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، فمن المتوقع أن تكون أداة مختلفة سنستخدمها لحل المشكلات المعقدة التي تتجاوز قدرات الكمبيوتر الكلاسيكي.
مع دخولنا إلى عالم البيانات الضخمة حيث تنمو المعلومات التي نحتاج إلى تخزينها أصبح هناك حاجة لمزيد من الآحاد والأصفار والترانزستورات لمعالجتها، وبما أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية تقتصر على القيام بشيء واحد في كل مرة فمن المؤكد أنه كلما كانت المشكلة أكثر تعقيدًا كلما استغرقت وقت أطول، كما تتطلب طاقة أكثر لحل المشاكل ولهذا فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية مطلوبة لتحل المشاكل في وقت أقصر بصورة لا يمكن تصديقها.
قوة أجهزة الكمبيوتر الكمومية
عندما تدخل عالم الجسيمات الذرية ودون الذرية ستعرف أنه يمكن أن توجد هذه الجسيمات في أكثر من حالة في وقت واحد، هذه هي القدرة التي تستفيد منها أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
بدلاً من البت التي تستخدمها أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، يستخدم الكمبيوتر الكمومي بت كمومي يعرف بالكيوبت qubits، ولتوضيح الاختلاف ، تخيل كرة، يمكن أن يكون البت في أي من قطبي الكرة ، ولكن يمكن أن يوجد الكيوبت في أي نقطة على الكرة، لذلك ، هذا يعني أن الكمبيوتر الذي يستخدم الكيوبت يمكنه تخزين كمية هائلة من المعلومات ويستخدم طاقة أقل للقيام بذلك من الكمبيوتر التقليدي، من خلال الدخول في هذا المجال الكمومي من الحوسبة حيث لم تعد القوانين التقليدية للفيزياء قابلة للتطبيق ، سنكون قادرين على إنشاء معالجات أسرع بكثير (مليون مرة أو أكثر) من تلك التي نستخدمها اليوم ، لكن التحدي يكمن في أن الحوسبة الكمومية معقدة أيضًا بشكل لا يصدق.
يقع الضغط على صناع الكمبيوتر لإيجاد طرق لجعل الحوسبة أكثر كفاءة ، حيث وصلنا إلى حدود كفاءة باستخدام الطرق التقليدية، بحلول عام 2040 ، وفق تقرير صادر عن رابطة صناعة أشباه الموصلات ، لن نتمتع بعد الآن بالقدرة على تشغيل جميع الآلات حول العالم، ولهذا السبب بالتحديد يتسابق صناع الكمبيوتر لجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية تعمل على نطاق تجاري، وهذا ليس بالأمر الهين لكنه سيحقق أرباح غير عادية.
كيف سيتغير عالمنا مع الحوسبة الكمومية
من الصعب التنبؤ بالكيفية التي ستغير بها الحوسبة الكمية عالمنا لمجرد أنه ستكون هناك تطبيقات في جميع الصناعات، ولكن عندما تفكر في مقدار ثورة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في عالمنا باستخدام بسيط نسبيًا للبت وخيارين من 0 أو 1 ، يمكنك تخيل الاحتمالات غير العادية عندما تكون لديك قوة معالجة للكيوبت التي يمكنها إجراء ملايين العمليات الحسابية في نفس اللحظة .
ما نعرفه هو أنه سيغير قواعد اللعبة في كل صناعة وسيكون له تأثير كبير في الطريقة التي نؤدي بها أعمالنا ، وابتكار أدوية ومواد جديدة ، وحماية بياناتنا ، واستكشاف الفضاء ، والتنبؤ بأحداث الطقس وتغير المناخ. ليس من قبيل المصادفة أن بعض الشركات الأكثر نفوذاً في العالم مثل IBM وجوجل Google وحكومات العالم تستثمر في تكنولوجيا الحوسبة الكمية، إنهم يتوقعون أن تغير الحوسبة الكمية عالمنا لأنها ستسمح لنا بحل المشكلات وتجربة الكفاءات التي لم تعد ممكنة اليوم.