Tietokoneen esi-isä mullisti maailman 70 vuotta sitten – teki sadan vuoden työt kahdessa viikossa

Hammasharjatkin verkkoon

Seitsemässä vuosikymmenessä tietokoneiden on ollut uskomatonta. Niiden teho on miljoonakertaistunut. Ennen tonneja painaville yksittäisille koneille tarvittiin kokonaisia huoneita, nykyisin pienimmät älypuhelimet ovat… no, pieniä.

Kun 50- ja 60-lukujen taitteessa tietokoneiden määrän pystyi Suomessa laskemaan kahden käden sormilla, vuonna 2015 Suomessa oli Tilastokeskuksen mukaan ainakin yksi pöytä- tai kannettava tietokone 82 prosentissa kotitalouksista, älypuhelimista puhumattakaan.

Eikä laitteiden määrän kasvulle näy loppua. ”Internet of Things”, esineiden internet, kasvattaa päätelaitteiden määrää jo nyt äärimmäistä tahtia. Laitteiden lisääntyminen ja niiden nettiin kytkeminen tulee mullistamaan maailmaa jo aivan lähivuosina.

– Ei kestä kauaa, että hammasharjasta lähtien kaikki on kytketty verkkoon, Kurki-Suonio tiivistää.

Ja jos katsotaan hieman lähivuosia pidemmälle, valtavan laskutehon omaavat kvanttitietokoneet tulevat mullistamaan maailmaa vielä enemmän. Tiedemiehet ovat verranneet toimivan kvanttitietokoneen kehittämistä merkittävyydessään jopa sähkön keksimiseen.

Mutta palataan 40-luvulle.

30 tonnia painava ja 30 metriä pitkä

Muutamaa vuotta ennen Yhdysvaltojen armeijan poikkeuksellista lehdistötiedotetta toinen maailmansota oli kiivaimmillaan. Sodan olosuhteet vaihtelivat nopeasti, joten Yhdysvallat halusi laskea entistä tehokkaammin, kuinka eri aseet tulisi säätää. Ballistisia laskelmia, eli ammusten lentoratojen arvioimista, oli toki tehty aiemminkin koneiden avustuksella, mutta olemassa olevat koneet perustuivat mekaanisiin releisiin.

Juuri siksi Yhdysvaltojen armeijan alaisuudessa toiminut Ballistiikan laitos kiinnostui tiedemies John Mauchlyn tutkimuksista. Hän oli alkanut kehittää laskukonetta, joka mekaniikan sijaan perustui elektroniputkiin.

Virallisesti uudenlaisen tietokoneen suunnitteluprojekti alkoi kesällä 1943. Valtavaa 30 tonnia painavaa ja 30 metriä pitkää konetta suunniteltiin yli vuosi ja rakennettiin puolitoista. Sotakin ehti jo loppua ennen kuin ENIAC lopulta näki päivänvalon kevättalvella 1946.

Vaikka ENIAC valmistui alkuperäiseen tarkoitukseensa auttamattomasti myöhässä, se mullisti maailmaa kuten lehdistötiedotteessa luvattiin. Koneen teho oli tuhatkertainen mihinkään aiemmin kehitettyyn verrattuna. ENIAC pystyi suorittamaan sekunnin aikana 5 000 yhteenlaskua, 357 kertolaskua tai 38 jakolaskua.

ENIAC ei kuitenkaan ollut suinkaan ainut projekti uudenlaisen laskukoneen kehittämiseksi. Toisen maailmansodan aikaan tietokoneita kehitettiin Yhdysvaltojen lisäksi myös Englannissa ja Saksassa.

– Koneita ylipäätään kehitettiin pitkään lähinnä sotateollisuuden tarpeiden mukaan, Kurki-Suonio sanoo.

Lopulta ENIACia käytettiin aseiden säätämisen lisäksi muun muassa vetypommin kehittämiseen, sääennustuksiin sekä satunnaislukujen tutkimiseen ja tuulitunnelin rakentamiseen.

Mutta mikä tärkeintä, se loi pohjan koko nykyisenlaisten tietokoneiden ja tietokoneavusteisten laskennan kehittymiselle.

Kone kehittää uutta konetta

40-luvun jälkeen koneet alkoivat yleistyä tieteen ja sodankäynnin kehittämisessä. Paljon on kuitenkin 70 vuodessa tapahtunut, sillä tänä päivänä suurin osa maailmasta olisi jopa vaarassa romahtaa, jos koneet sammuisivat.

Vuonna 2002 eläkkeelle Tampereen teknillisestä korkeakoulusta jäänyt Kurki-Suonio toteaa, että tietokoneiden uskottiin alusta alkaen muuttavan maailmaa. Mutta siitä, mitä muutos käytännössä olisi voinut tarkoittaa, ei entisaikojen tiedemiehillä ollut hajuakaan.

– Esimerkiksi mitään internetin kaltaista ei osattu aavistaa. Kun aloitin työt Kaapelitehtaalla, jokainen tietokone oli erillään, eikä niissä ollut yhteyttä ulkomaailmaan.

Nykyisin tietokoneita käytetään käytännössä kaikkeen, mitä ympärilläsi näet. Seinien lujuuslaskelmat ovat koneen käsialaa, samoin laite, jolla tätä juttua luet. Jopa hengittämäsi ilma vaihtuu todennäköisesti koneen tekemien laskelmien seurauksena.

Mutta kuinka tähän on tultu, että koneet hallitsevat maailmaa näin kokonaisvaltaisesti? Yksi merkittävä syy on se, että koneiden rakentaminen on muuttunut huomattavasti aiempaa halvemmaksi. On myös syntynyt loputon oravanpyörä: uudet tietokoneet ohjelmoidaan kehittämään entistä parempia tietokoneita.

Emeritusprofessori vastaa kysymykseen filosofisemmin. Hänen mukaansa entisajan kansantarinat tai kirjat ovat nykypäivän tietokone.

– Mihin muuhun ihmiskunnan sivistys perustuu kuin tiedon talletukseen, välittämiseen ja käsittelyyn? Siihen on käytetty jokaisella aikakaudella parhaita mahdollisia teknisiä sovelluksia, Kurki-Suonio sanoo.

Kolme miljoonaa markkaa kuukaudessa

Tietokoneiden kehitys on ollut alusta asti nopeaa. Jo 50-luvulla IBM onnistui ensimmäisessä sarjavalmistetussa tietokoneessa. IBM 650 –mallia valmistettiin vuosina 1954–1962 yhteensä noin 2000 kappaletta. Koneen keskusyksikkökään ei painanut enää kuin noin tuhat kiloa ja vienyt tilaa kuin noin puolitoista neliömetriä. Lisälaitteiden kera kone tosin yhä tarvitsi usein kokonaisen työhuoneen.

Myös Suomen ensimmäinen tietokone oli malliltaan juuri IBM 650.

Postisäästöpankin reikäkorttikoneiston laskenta­kapasiteetin rajat alkoivat tulla vastaan ja sillä alkoi olla vaikeuksia 1,5 miljoonan suomalaisen tilin hallitsemisessa.

Niinpä Postisäästöpankki päätti hankkia kirjanpidon hallintaan uudenaikaisen koneen IBM:ltä. Tuohon aikaan koneita ei kuitenkaan suoraan myyty asiakkaille, vaan niistä perittiin kuukausivuokraa. Vuokra kuukaudessa oli huiman kuuloinen, kolme miljoonaa markkaa. Tilastokeskuksen rahanarvonkertoimen mukaan nykyrahaksi muutettuna se tarkoittaisi noin 73 000 euroa.

Valtiovarainministeri Päiviö Hetemäki sai kunnian painaa Suomen ensimmäisen tietokoneen, tai ”elektroniteknillisen tietojenkäsittelykoneen" kuten Hetemäki juhlapuheessaan sitä nimitti, käynnistysnappia 17. lokakuuta 1958.  Kone sai nimen Ensi.

60- ja 70-luvuilla koneiden koko pieneni, mutta ne olivat yhä vain yliopistojen, tutkimuslaitosten ja yritysten käytössä. Tietokoneiden ensimmäiset vuosikymmenet olivat hyvin kokeellista aikaa. 

Esimerkiksi IBM julkisti 70-luvun alkupuolella maailman ensimmäisen kehittyneen taskulaskimen, joka ymmärsi trigonometriaa ja eksponentiaalisia funktioita. Myös vielä tänäkin päivänä käytetty tietokoneohjelmointikieli C kehitettiin 70-luvulla. Mainitsemisen arvoista on vielä se, että vuonna 1972 julkaistiin yksi maailman ensimmäisistä kaupallisista videopeleistä, Atarin julkaisema videopöytätennis Pong (www.ponggame.org/). Pelissä näytön molemmilla laidoilla on suorakaiteen muotoiset ”mailat”, joilla kimmotellaan neliön muotoista palloa.

Lopulta vuonna 1977 Apple julkaisi ensimmäisen oman valmiiksi kasatun helppokäyttöisen kotikoneensa, norsunluunvalkoisen laatikkomaisen Apple II:n. Se oli alkusoitto koneiden yleistymiselle myös kotikäytössä. Todellinen läpimurto tapahtui kuitenkin 80-luvun lopulla, kun vuosikymmenen alkupuolella julkaistujen IBM:n PC:n ja Commodore 64:n hinnat laskivat.

Keväällä 1984 Commodoren hinta huiteli vielä 3000 markassa, mikä nykyrahassa olisi reilut tuhat euroa. Hinta kuitenkin laski nopeasti, jo seuraavana jouluna kone oli tarjouksessa alle 2000 markalla. Vuoteen 1993 mennessä Commodore 64:stä oli tullut maailman suosituin tietokone ja sitä oltiin myyty miljoonia kappaleita ympäri maailmaa.

Ensin kasettiasemalla, myöhemmin levykeasemalla, varustettu kone oli yleinen niin tekstinkäsittelyssä, pelaamisessa kuin tietokoneharrastelijoiden keskuudessakin. Suomessa peleistä suosituimpia olivat muun muassa tasohyppelypeli Bubble Bobble, Super Mario –kopio Giana Sisters sekä merirosvoseikkailu Pirates!.

Kotimikrot olivat tietokoneiden historiassa suuri mullistus, mutta toisaalta ne olivat myös iso askel taaksepäin. Niiden muisti oli nimittäin selkeästi pienempi, mitä yrityksille ja tieteelliseen käyttöön tehdyissä koneissa oli.

– DOS-käyttöjärjestelmässä otettiin iso loikka taaksepäin. Käyttöjärjestelmiä oli kehitetty aina 60-luvulta, mutta uusiin koneisiin jouduttiin muistin vuoksi asentamaan vain yksinkertainen versio, toteaa oman ensimmäisen ”Applen linnunpönttönsä” vuonna 1985 hankkinut Reino Kurki-Suonio.

34 000 000 000 000 000 laskua sekunnissa

Jos on tietokoneiden määrä kasvanut valtavasti, niin on myös niiden teho. Enää ei käyttöjärjestelmä jää kotikoneissakaan suoritustehon jalkoihin.

Toisen maailmansodan lopulla valmistunut ENIAC oli aikansa supertietokone, mutta sen laskuteho tuntuu suorastaan naurettavalta verrattuna nykyisten läppäreiden tehoihin.

ENIAC pystyi laskemaan 5000 yhteenlaskua sekunnissa. Nykyaikainen kotikone voi tehdä samassa ajassa jopa kymmeniä miljardeja laskutoimituksia.

Vielä enemmän perspektiiviä antaa vertaus toistaiseksi maailman nopeimpana tietokoneena tunnettuun kiinalaiseen Tianhe-2:en. Sen teho on 34 petaflopsia, joka tarkoittaa sitä, että laite pystyy tekemään sekunnissa 34 miljoonaa miljardia laskutoimitusta (34 000 000 000 000 000).

Mitä pidemmälle ensimmäisten tietokoneiden kehittämisestä tullaan, sitä enemmän tietokoneiden käyttö tulee viihteellisemmäksi. Miksipä muuten kukaan harkitsisi enää tänä päivänä uuden kotikoneen, tai tabletin, ostoa, jos ei netissä surffailun, Netflixin tai Spotifyn vuoksi. Tai pelaamisen.

Vielä 70-luvullakin viihdekäyttö ja pelit olivat tiede- ja markkinamiesten hallitsemassa tietokonemaailmassa kirosana. Nykyisin pelit kuitenkin ovat miljardibisnes, ja jopa Reino Kurki-Suonio suostuu myöntämään, että tämä ”tietokoneiden hyödytön alue” on erittäin tärkeä tekijä paremman tekniikan kehittämisessä.

– Pelaamista pidettiin kalliiden koneiden väärinkäyttönä. Opiskelijat eivät saaneet käyttää koneaikaa sellaiseen humpuukiin, Kurki-Suonio toteaa ja naurahtaa perään.

Seitsemänkymmentä vuotta sitten ENIAC vaati tilaa yli 100 neliömetriä. Nykyisin moninkertainen tehomäärä mahtuu sormenpään kokoiseen mikropiiriin.

Tekniikan kehityttyä verkkoon liitettävä pieni kone tai anturi upotetaan yhä useampaan asiaan tai esineeseen. Ilmiö on nimetty esineiden internetiksi, ”Internet of Things” eli IoT.

Jo nyt verkkoon kytkettyjä laitteita on muun muassa rannekellot, autot ja kotien sähkömittarit. Tämä on vasta alkusoittoa. Tulevaisuudessa verkossa ovat niin roska-astiat, sillat, tehtaiden koneet kuin koditkin. Pyykinpesukone saattaa tilata omatoimisesti lisää pesuainetta, kun se on lopussa.

Tutkimusyritys Gartnerin mukaan kahden miljardin käytössä olevan tietokoneen raja meni rikki vuonna 2015. Luvussa ei ole mukana esimerkiksi kännyköitä, joista iso osa on älypuhelimia, jotka voitaisiin hyvinkin laskea tietokoneiden kanssa samaan kategoriaan.

Päätelaitteiden määrä kasvaa jatkuvasti, mutta oikeastaan sillä ei ole enää merkitystä. Nykyisin lasketaan sitä, kuinka moni laite on yhteydessä verkkoon.

Viime vuoden lopulla Gartner esitti uuden, pysäyttävän ennustuksensa. Vuonna 2020 verkossa olisi reippaasti yli 20 miljardia laitetta. Se olisi noin 2,7 laitetta per maapallon asukas. Nelihenkisen perheen kohdalla se tarkoittaisi keskimäärin noin yhtätoista nettiin liitettyä laitetta. Ja kaikki ne voisivat kommunikoida keskenään.

Yli viisi vuosikymmentä tietokoneiden parissa toiminut Kurki-Suonio ei haluaisi maalata piruja seinille. Silti hänen on pakko sanoa, että kehitys tuo mukanaan uusia uhkia. Esineiden internet on kuin Pandoran lipas, hän vertaa.

– Kukaan ei tiedä, millaisia vitsauksia se tuo mukanaan. Tietokonerikollisuus tulee saamaan aivan uudenlaisia ulottuvuuksia. Täytyy toki muistaa, että lopulta Pandoran lippaasta löytyi myös toivo.

Yhtä merkittävää kuin sähkön keksiminen

Jos esineiden internet tulee mullistamaan maailmaa, niin tulevat myös kvanttitietokoneet. Myös ne voivat olla todellisuutta jo 2020-luvulla.

Tiedemiehet ovat verranneet kvanttitietokoneen keksimistä jopa sähkön keksimiseen. Kvanttitietokoneet voisivat muuttaa kaiken, mitä nykyisestä maailmasta tiedämme.

Yksi Suomen johtavista kvanttifyysikoista, Mikko Möttönen, toteaa, että merkittävyydessään kvanttitietokone ohittaa heittämällä myös 70 vuotta sitten kehitetyn maailman ensimmäisen elektronisen tietokoneen ENIACin.

– Siitä ei ole epäilystäkään. Tällä hetkellä emme edes ymmärrä, että mihin kaikkiin kysymyksiin kvanttitietokone voisi meille vastauksen antaa.

Möttönen johtaa Aalto-yliopistolla omaa kvanttitietokoneisiin keskittyvää tutkijaryhmäänsä ja toimii kvanttilaskennan tutkimusprofessorina Jyväskylän yliopistolla.

Kvanttitietokoneen erottaa perinteisestä tietokoneista sen laskentatapa. Perinteinen kone käyttää laskennassa bittejä, joista jokainen sisältää joko ykkösen tai nollan. Hieman mutkia oikoen voisi sanoa, että kvanttitietokoneen laskuteho taasen perustuu kubitteihin eli kvanttibitteihin, joissa voi olla joko ykkönen, nolla tai molemmat. Kvanttitietokone voi siis suorittaa eri laskutoimituksia tavallaan rinnakkain.

Kuulostaa monimutkaiselta, ja sitä se onkin. Jopa professori Möttösellä on hankaluuksia avata kvanttitietokoneen toimintatapa kansankielelle.

– Kvanttitietokoneen toimintaa on hankala ymmärtää. Se hyödyntää sellaisia luonnonlakeja, joita nykyinen normaali tietokone ei voi käyttää.

Ja jos jatketaan normaalien, niin sanotusti klassisten tietokoneiden vertailua kvanttitietokoneisiin, on ero niiden laskentatehossa on kuin yöllä ja päivällä.

– Se, kuinka paljon kvanttitietokone olisi klassista tietokonetta nopeampi, riippuu ongelmasta. Ongelma voi vaikkapa olla sellainen, että se ei ratkeaisi kaikilla maailmassa olevilla klassisilla koneilla edes tuhannessa vuodessa. Kvanttitietokone voisi löytää ratkaisun muutamassa tunnissa.

Miten kvanttitietokone muuttaisi maailmaa sitten käytännön tasolla? Möttönen aloittaa listauksen tieteellisillä käyttötavoilla, kuten salausten purkamisella ja molekyylien mallintamisella, mutta päätyy lopulta arjen tasolle.

– Esimerkiksi Google-hauista tulisi valtavan paljon järkevämpiä. Kun tulee itseajavia autoja, kvanttikoneilla ne saataisiin keskustelemaan keskenään. Sen jälkeen ei tulisi enää ruuhkia tai tarvitsisi rakentaa lainkaan uusia teitä, kun autot sopisivat itsekseen sen, mitä reittiä kukin ajaa.

Jotkut tiedemiehet arvioivat, että ensimmäinen kvanttitietokone saataisiin valmiiksi jo 2020-luvulla. Möttönen suhtautuu aikatavoitteisiin skeptisesti, mutta uskoo, että ennen pitkää läpimurto tapahtuu. Yksi merkki siitä oli Möttösen työryhmän tuorein löydös parin viikon takaa, jossa he onnistuivat siirtämään lämpöä maksimaalisen tehokkaasti noin metrin verran. Kvanttitietokoneen kehittäjät painivat lämpenemisongelman kanssa, joten löydös on todella keskeinen.

Kun kvanttitietokoneen läpimurto lopulta tapahtuu, ensimmäistä lehdistötiedotetta voisi helpostikin koristaa samanlaiset ylistyssanat kuin aikanaan maailman ensimmäisen elektronisen tietokoneen lehdistötiedotetta koristivat.

Nyt vain sitten odotellaan julistusta, jonka mukaan uuden koneen ”nopeus on ilmiömäinen” ja joka ”mullistaa insinöörityössä käytetyt laskentamenetelmät”.

Todella paljon hurjemmin kuin ENIAC mullisti 70 vuotta sitten.