Tại sao máy tính bỏ túi lại có thể tính nhanh đến như vậy?

Máy tính bỏ túi là thiết bị điện tử rẻ tiền, nhỏ, dễ di động dùng để thực hiện những phép tính toán học cơ bản và phức tạp.



Chiếc máy tính bỏ túi là một đồ vật rất quen thuộc đối với nhiều người, từ sinh viên, học sinh cho đến các nhân viên bán hàng, kế toán v.v… Là một thiết bị giúp bạn thực hiện các quy tắc toán học như cộng trừ, nhân chia, hay cao cấp hơn như giải phương trình, tính toán ma trận. Để có thể trở thành một thiết bị nhỏ gọn mà hữu dụng với nhiều chức năng như hiện nay, chiếc máy tính bỏ túi đã phải trải qua những giai đoạn thăng trầm trong lịch sử mà mãi đến tận cuối thế kỷ 20 nó mới được sử dụng một cách rộng rãi.

Lịch sử phát triển của máy tính bỏ túi
Bàn tính cơ học chính là tiền thân của máy tính bỏ túi ngày nay. Công cụ tính toán số học đầu tiên được biết đến là chiếc bàn tính (Abacus) được sử dụng bởi những người Sumer và người Ai Cập vào khoảng 2000 năm trước công nguyên. Sau đó, bàn tính được sử dụng rộng rãi ở các nước Châu Á, châu Phi và nhiều vùng lãnh thổ khác chủ yếu bởi các thương nhân. Cho đến ngày nay, vẫn còn khá nhiều người sử dụng loại bàn tính cơ học của người Trung Quốc, với các hạt được xâu thành chuỗi theo chiều dọc trong một khung gỗ chữ nhật.


Chiếc bàn tính của người La Mã​


Bàn tính cổ của người Trung Quốc

Đến thời kỳ Phục Hưng, năm 1642, thiên tài toán học Blaise Pascal (1623-1662) phát minh ra máy tính cơ học, thiết bị đầu tiên có thể thực hiện các phép tính cơ bản mà không cần sử dụng trí tuệ của con người. Thiết bị có thể thực hiện trực tiếp phép tính cộng và trừ, phép nhân và chia được thực hiện theo phương pháp lặp lại nhiều lần phép cộng.​


Máy đếm của Pascal có kèm theo chữ ký của ông vào năm 1652​


Video mô tả cách hoạt động của máy đếm Pascal​

Theo sau Pascal là Gottfried Leibniz (1646-1716), nhà toán học người Đức đã dành 40 năm để thiết kế máy tính cơ học có thể thực hiện được 4 phép tính cơ bản cộng, trừ, nhân, chia một cách trực tiếp. Công trình của ông chỉ dừng lại ở bánh xe Leibniz mà chưa đưa ra được một cỗ máy tính toán hoàn thiện. Bánh xe Leibniz là một ống hình trụ với các rãnh bên ngoài có độ dài tăng dần được dùng để đếm số lần quay của bánh răng. Bánh xe Leibniz nổi tiếng này được tiếp tục sử dụng rộng rãi trong các máy tính cơ khí cho đến khi máy tính điện tử ra đời.


Hoạt động của bánh xe Leibniz

Đến thế kỷ 18, thế giới chứng kiến được nhiều cải tiến thú vị từ chiếc máy tính cơ ban đầu. Đặc biệt phải kể đến là chiếc đồng hồ tính toán có khả năng thực hiện được 4 phép tính của Giovanni Poleni (1683-1761), một nhà vật lý và toán học người Ý, nhưng đây chỉ là một đóng góp cho sự phát triển của máy tính chứ chưa phải là một thiết bị hoàn chỉnh. Mãi cho đến thế kỷ 19 với cuộc các mạng công nghiệp mới là thời kỳ máy tính cơ được phổ biến rộng rãi. Thời gian này, những chiếc máy tính cơ trong quá khứ được đưa vào sản xuất công nghiệp với số lượng lớn và mẫu mã hiện đại hơn.
​
Đến năm 1820, máy đếm còn gọi là máy cộng dồn tích (Arithmometer hoặc Arithmomètre) được phát minh bởi nhà nhà phát minh người Pháp Thomas de Colmar (1785-1870). Đây là chiếc máy tính cơ đầu tiên đủ mạnh và độ tin cậy để sử dụng trong công việc hàng ngày tại các văn phòng. Thiết bị được cấp bằng sáng chế vào 1820 và sản xuất thương mại từ năm 1851. Arithmometer có thể thực hiện được chuỗi các phép cộng và trừ một cách trực tiếp, thực hiện phép nhân số lớn và cho ra kết quả được dồn tích và ghi trên một dải ruy băng. 40 năm sau, tính đến năm 1890 đã có khoảng 2500 chiếc máy đếm được sản xuất thương mại và bán ra thị trường. Đây là bước tiến quan trọng trong quá trình chuyển tính toán bằng trí tuệ con người sang sử dụng máy móc vào nửa sau thế kỷ 19.


Máy cộng dồn tích Arithmomètre​

Năm 1902, chiếc máy tính đầu tiên có sử dụng phím bấm mang tên Máy cộng Dalton được phát minh bởi nhà phát minh người Mỹ James L. Dalton (1833-1887).


Máy tính có phím bấm đầu tiên của Dalton
​
Năm 1948, Curt Herzstark (1902-1988), một kỹ sư người Australia đã phát minh ra máy tính cơ Curtas có khả năng thực hiện được 4 phép tính cơ bản, đồng thời có thể thực hiện được phép rút căn bậc 2 và một số phép toán khác dù khá khó khăn. Máy tính cơ Curtas kế thừa bánh xe đếm nổi tiếng của Leibniz kết hợp với máy đếm của Thomas để tạo nên một thiết bị tính hình trụ nhỏ gọn trong lòng bàn tay được vận hành bằng một tay quay phía trên. Dù giá thành sản xuất khá đắt tiền, Curtas được xem là máy tính cơ xách tay tốt nhất mãi cho đến sự ra đời của máy tính điện tử sau này.


Máy tính cơ Curtas của Curt Herzstark


Video phương pháp hoạt động của máy tính cơ Curtas​

Sự ra đời của máy tính điện tử:
Các máy tính cỡ lớn đầu tiên có sử dụng ống chân không và sau đó là các transistor để giải các thuật toán logic xuất hiện vào những năm 1940 đến 1950. Công nghệ này là bước tiến vĩ đại cho sự hình thành của máy tính điện tử.

Vào năm 1957, công ty máy tính điện tử Casio, Nhật Bản cho ra đời máy tính Model 14-A. Đây là máy tính điện tử toàn phần với thiết kế nhỏ gọn đầu tiên trên thế giới. 14-A không sử dụng logic điện tử mà dựa trên công nghệ chuyển tiếp được tích hợp vào bàn điều khiển để giải quyết các phép tính.


Hình ảnh chiếc máy tính Casio Model 14-A​

Đến tháng 11 năm 1961, ANITA (A New Inspiration To Arithmetic/Accounting) máy tính giao diện điện tử toàn phần đầu tiên trên thế giới được công bố bởi công ty máy tính thương mại Anh Bell Punch. Cỗ máy này sử dụng các ống chân không, ống ca-tôt lạnh và Dekatron (ống khí đếm 3 giai đoạn) để giải quyết các phép toán. Màn hình hiển thị được chế tạo từ 12 ống ca-tôt lạnh tạo thành đèn Nexie. 2 Model của ANITA là MK VII và MK VIII được phổ biến rộng rãi khắp châu Âu và nhiều nơi trên thế giới vào đầu năm 1962. MK VII có thiết kế nhẹ và thực hiện được các phép nhân phức tạp. Sau đó MK VIII ra đời với thiết kế và cách vận hành đơn giản hơn. Tuy ANITA có đầy đủ bàn phím và áp dụng các thiết bị điện tử để thực hiện phép tính, nhưng vẫn hoạt động dựa trên nguyên lý đếm của các máy tính cơ đương thời. Chính vì lẽ đó, đến khi máy tính điện tử sử dụng thuật toán logic ra đời, ANITA nhanh chóng bị chìm vào quên lãng.


Hình ảnh chiếc máy tính ANITA MK VIII​

Đến năm 1963, công nghệ ống ca-tôt chân không của công ty Bell Punch được nhà sản xuất Friden của Mỹ thay thế bằng phương pháp sử dụng các transistor. Nhà sản xuất Friden cho ra đời mẫu máy tính EC-13 với màn hình CRT 13 cm hiển thị được 13 ký tự. EC-13 được giới thiệu đến thị trường với các ký pháp RPN (reverse Polish notation - Ký pháp toán học Ba Lan ngược) với giá 2200 USD, đắt hơn gấp 3 lần so với các máy tính cơ đương thời.


Máy tính Friden C-13 của nhà sản xuất Friden


Video sử dụng máy tính Friden​

Đến năm 1964, Công ty Nhật Bản Sharp đã chế tạo được chiếc máy tính đầu tiên có thể tự thực hiện các phép tính toán, mặc dù chiếc máy tính có kích thước gần bằng một chiếc xe ô tô. Năm 1967, Texas Instruments giới thiệu dự án công nghệ "Cal Tech" với chiếc máy tính bỏ túi đầu tiên có kích thước nhỏ gọn, có khả năng thực hiện các phép tính đơn giản như cộng trừ, nhân chia.

Sau đó vài năm, Canon đã sử dụng công nghệ này để sản xuất những chiếc máy tính bỏ túi thương mại đầu tiên và bán rộng rãi trên thị trường với giá 400 USD. Tuy nhiên chỉ đến năm 1971, sau khi Intel ra mắt mẫu chip xử lý thương mại đầu tiên là Intel 4004, những chiếc máy tính bỏ túi mới thực sự trở nên hữu dụng với khả năng tính toán tốt hơn, kích thước nhỏ hơn cũng như giá thành hợp lý hơn.

Cho đến nay, với sự phát triển của khoa học, công nghệ những chiếc máy tính bỏ túi không chỉ đơn giản là thực hiện các phép tính cộng trừ, nhân chia. Mà bên cạnh đó chúng còn có khả năng thực hiện nhiều phép biến đổi, các hàm lượng giác và logarit, làm việc với các hằng số như pi và e, tính toán với số phức hay phân số, giải phương trình, phân tích thống kê, sác xuất hay ma trận.

Cấu tạo và các thành phần bên trong
Như các bạn đã biết, một chiếc máy tính bỏ túi có một chip vi xử lý đơn để giải các phép tính và thuật toán. Bên cạnh đó nó được trang bị một bảng mạch với các nút cao su hoặc nhựa phía trên để bạn nhập dữ liệu và các phép tính. Giống như mô hình của một chiếc điều khiển từ xa, khi bạn bấm một nút trên bàn phím, một mạch điều khiển sẽ được đóng phía dưới lớp cao su và gửi các xung điện đến chip xử lý, đồng thời gửi tín hiệu đến màn hình hiển thị.



Màn hình của hầu hết các máy tính bỏ túi đầu tiên là loại màn hình LED hay đi-ốt chân không. Sau này, việc sử dụng màn hình tinh thể lỏng hay màn hình LCD giúp tiết kiệm điện năng hơn.

Nguồn năng lượng chính được sử dụng trong các máy tính bỏ túi là pin, nhưng máy tính đầu tiên sử dụng các hệ thống pin khá cồng kềnh khiến cho chúng có kích thước rất lớn. Ngày nay, công nghệ năng lượng phát triển giúp pin ngày càng nhỏ gọn hơn, giúp giảm bớt kích thước của những chiếc máy tính bỏ túi hiện đại. Bên cạnh đó, những chiếc máy tính bỏ túi sử dụng rất ít năng lượng, do đó một miếng pin năng lượng mặt trời nhỏ cũng có khả năng cung cấp đủ nguồn điện năng cần thiết cho máy hoạt động. Do đó mà từ năm 1970, có khá nhiều loại máy tính bỏ túi được trang bị sẵn pin năng lượng mặt trời để cung cấp điện năng song song với pin hóa học thông thường.

Các máy tính bỏ túi cũng có khả năng lưu trữ dữ liệu ngắn hạn trong bộ nhớ, tương tự bộ nhớ RAM. Các máy tính bỏ túi hiện đại có khả năng lưu trữ nhiều hơn, đồng thời có thể gán dữ liệu vào các biến và truy suất ra khi tính toán.

Cơ chế hoạt động của máy tính bỏ túi
Như đã nói ở trên, những chiếc máy tính bỏ túi có thể thực hiện các phép tính nhờ vào hệ thống mạch tích hợp và chip vi xử lý. Các mạch này sử dụng bóng bán dẫn để thực hiện các phép tính cộng, trừ cũng như các phép tính phức tạp hơn như số mũ hay căn. Về cơ bản, khả năng tính toán phụ thuộc vào số lượng các bóng bán dẫn, càng nhiều bóng bán dẫn thì chiếc máy tính càng có khả năng tính toán phức tạp hơn. Ngày nay, các máy tính bỏ túi hiện đại đều có một tiêu chuẩn về mạch tích hợp với số lượng các bóng bán dẫn gần giống nhau.

Giống như các hệ thống điện tử khác, chip xử lý bên trong sẽ chuyển đổi các thông tin mà bạn nhập từ bàn phím thành hệ nhị phân tương đương. Trong hệ nhị phân chỉ hiển thị hai số 1 và 0, vi mạch sử dụng logic nhị phân bằng cách chuyển các bóng bán dẫn bật hoặc tắt.



Ví dụ nếu bạn muốn cộng phép tính "2+2", máy tính sẽ chuyển số "2" về hệ nhị phân là "10" sau đó sẽ cộng với nhau theo chiều dọc. Ở đây có thể thấy ở hàng đơn vị là "0 0" do đó ta sẽ có giá trị là "0", tiếp đến hàng chục "1+1" sẽ được giá trị "2". Tuy nhiên hệ nhị phân lại không hiển thị số 2, do đó nó sẽ được thay bằng "10", vậy ta sẽ có giá trị cuối cùng là "100" chuyển đổi về hệ thập phân sẽ bằng 4.

Cách hiển thị trên màn hình của máy tính bỏ túi cũng sử dụng logic nhị phân này. Nếu bạn để ý sẽ thấy mỗi ô trống hiện thị có 7 vạch ngắn, giúp nó có thể hiển thị tất cả các số từ 0-9, ví dụ số 3 sẽ được hiển thị bằng 5 vạch. Các vạch này sẽ được bật hoặc tắt tùy thuộc vào thông tin gửi đến từ chip xử lý, giúp nó có thể hiển thị giá trị nhập cũng như kết quả của phép tính trên màn hình.

Tương lai của chiếc máy tính bỏ túi
Máy tính bỏ túi đang ngày càng trở nên phổ biến hơn bao giờ hết, nó giúp chúng ta tiết kiệm thời gian tính toán, đảm bảo độ chính xác cao trong các phép tính phức tạp. Tuy nhiên theo nhiều nhà nghiên cứu, việc quá lạm dụng máy tính bỏ túi có thể gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực, một trong số đó là làm giảm khả năng tư duy và tính toán của học sinh. Do đó mà nhiều nhà trường đã cấm việc sử dụng máy tính bỏ túi đối với các phép tính cơ bản để giúp học sinh rèn luyện những kỹ năng tính toán nhất định.

Mặc dù vậy, máy tính bỏ túi vẫn tiếp tục phát triển cùng với công nghệ khoa học kỹ thuật tiên tiến, giúp nó có them nhiều chức năng tính toán phức tạp hơn. Bên cạnh đó, các máy tính hiện đại không còn chỉ dùng để tính toán các phép tính nữa, mà nó còn được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như tính toán khối lượng cơ thể kết hợp với hàm lượng calo cần thiết mỗi ngày, chuyển đổi tiền tệ hay đơn vị, tính toán lượng khí thải v.v… Các hệ thống tính toán này hầu hết được kết nối trực tiếp với nguồn dữ liệu rất lớn và bất kỳ ai cũng có thể truy cập chúng.

Với sự sáng tạo và nỗ lực nghiên cứu không ngừng, các nhà khoa học đã tìm ra rất nhiều phát minh hữu ích, giúp cuộc sống của chúng ta ngày càng đơn giản và dễ dàng hơn. Trong các bài viết tiếp theo của Genk, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu những phát minh đã làm thay đổi hoàn toàn cuộc sống của chúng ta.

Một số công ty sản xuất máy tính bỏ túi nổi tiếng trên thế giới:
urora Office Equipment Company (Trung Quốc)
Canon Electronic Business Machines Co., Ltd.(Hồng Kông)
Casio Computer Co., Ltd. (Nhật Bản)
Citizen Systems Japan Co., Ltd. (Nhật Bản)
Hewlett-Packard Development Company, L.P. (Hoa Kỳ)
Sharp Corporation (Nhật Bản)
Texas Instruments Inc. (Hoa Kỳ)

hỏi nhà xản xuất ấy

Máy tính bỏ túi đơn giản nguyên lí hoạt động lại phức tạp. Như nói trên, máy tính bỏ túi thực phép tính nhờ vào hệ thống mạch tích hợp chip vi xử lý. Các mạch sử dụng bóng bán dẫn để thực phép tính cộng, trừ phép tính phức tạp số mũ hay Về bản, khả tính toán phụ thuộc vào số lượng bóng bán dẫn, nhiều bóng bán dẫn máy tính có khả tính toán phức tạp. Ngày nay, máy tính bỏ túi đại có tiêu chuẩn mạch tích hợp với số lượng bóng bán dẫn gần giống. Giống hệ thống điện tử khác, chip xử lý bên chuyển đổi thông tin mà bạn nhập từ bàn phím thành hệ nhị phân tương đương. Trong hệ nhị phân hiển thị hai số 0, vi mạch sử dụng logic nhị phân cách chuyển bóng bán dẫn bật tắt