2.1 จุดเปลี่ยนของคอมพิวเตอร์ในรูปแบบเครื่องยนต์กลไกมาสู่ระบบอิเล็คโทรนิคส์

เครื่องยนต์เชิงวิเคราะห์แบบแบบเบจ (Babbage's Analytical Engine) เป็นรากฐานของการสร้างเครื่องคอมพิวเตอร์ในลักษณะเครื่องยนต์กลไกสืบเนื่องกันมากว่า 140 ปี เครื่องคอมพิวเตอร์ในรูปแบบของอิเล็กทรอนิกส์คอมพิวเตอร์ซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นปัจจัยหลักในการทำงานจึงเกิดขึ้น จุดเปลี่ยนของพัฒนาการที่เป็นก้าวกระโดดในครั้งนี้ ขอเริ่มต้นที่ เบนจามิน แฟรงคลิน บุคคลสำคัญของประเทศสหรัฐอเมริกาที่รอบรู้ในศาสตร์หลาย ๆ อย่าง ได้พิสูจน์ให้เห็นถึงพลังงานอีกรูปแบบหนึ่งที่มีอยู่ในธรรมชาติมาช้านาน นับตั้งแต่อุบัติการณ์ของโลก คือ พลังงานไฟฟ้า โดยการทดลองที่หลาย ๆ คนคงจะจำได้เป็นอย่างดี นั่นคือ การชักว่าวท่ามกลางบรรยากาศฝนฟ้าคะนอง ทำให้เกิดประกายไฟฟ้า สรุปเป็นการค้นพบให้นักวิทยาศาสตร์ในรุ่นหลังได้ศึกษาต่อเนื่องกันมา

โลกจึงได้ทฤษฎีอธิบายความจริงทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับ ไฟฟ้าสถิตย์, ไฟฟ้ากระแส ตามมาอีกมากมาย นักวิทยาศาสตร์และนักประดิษฐ์บางท่านนำกระแสไฟฟ้าไปไหลผ่านขดลวด เกิดเป็นพลังงานความร้อนขึ้นมา เทคโนโลยีที่เกี่ยวกับเครื่องทำความร้อนด้วยไฟฟ้า เช่น กาต้มน้ำ, เตาไฟฟ้า ฯลฯ จึงเกิดขึ้น บางท่านนำกระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านขดลวดที่มีแท่งแม่เหล็กอยู่ตรงแกนกลาง เกิดการเหนี่ยวนำให้แท่งแม่เหล็กหมุนรอบตัวเอง นำไปดัดแปลงเป็นอุปกรณ์ประเภทมอเตอร์, ไดนาโม ฯลฯ อันเป็นเรื่องของการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานจลน์ และว่ากันว่า โทมัส อัลวา เอดิสัน ได้ทำการทดลองให้กระแสไฟฟ้าวิ่งผ่านเส้นลวดในหลอดสูญญากาศ ประสบความล้มเหลวถึง 1,999 ครั้ง ครั้งที่ 2,000 จึงเกิดเป็นแสงสว่างทำให้โลกได้เทคโนโลยีหลอดไฟฟ้าในที่สุด ศาสตร์ทางด้านไฟฟ้าที่นำมาใช้ประโยชน์เป็น พลังงานความร้อน, พลังงานจลน์, แสงสว่าง ฯลฯ เรียกรวม ๆ กันว่าเป็นเรื่องของ ไฟฟ้ากำลัง

ด้วยความอยากรู้อยากเห็นที่ไม่สิ้นสุดของนักวิทยาศาสตร์นี่เอง ทำให้ค้นพบว่าพื้นฐานของเทคโนโลยีเหล่านี้เป็นเพราะวัตถุหรือสสารต่าง ๆ ที่อยู่รอบตัวเรา มีคุณสมบัติตอบสนองต่อกระแสไฟฟ้าต่างกัน กิ่งไม้แห้งเมื่อจับที่ปลายข้างหนึ่ง แล้วปล่อยกระแสไฟฟ้าที่ปลายอีกข้างหนึ่ง ผู้จับกิ่งไม้ไม่เกิดอันตรายแต่ประการใด เพราะคุณสมบัติทางไฟฟ้าของกิ่งไม้แห้ง ไม่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ เราเรียกว่า เป็นวัตถุที่มีคุณสมบัติเป็น ฉนวน (Insulator) แต่ถ้าเปลี่ยนจากกิ่งไม้แห้งเป็นเส้นลวดทองแดง ผู้ที่จับอยู่ที่ปลายข้างหนึ่งย่อมจะโดนไฟฟ้าช็อต เพราะทองแดงมีคุณสมบัติในการเป็น ตัวนำไฟฟ้า (Conductor) คุณสมบัติเหล่านี้มีอยู่ในวัตถุต่าง ๆ รอบตัวเรา และเมื่อนำมาออกแบบ ประกอบเป็นชิ้นงานใช้ประโยชน์ในการควบคุมกระแสไฟฟ้าให้ไหลไปตามทิศทางที่ต้องการ, ให้หยุดเมื่อเจอวัตถุที่เป็นฉนวน, ให้สามารถเก็บประจุไฟฟ้า +,- ได้ ฯลฯ ในที่สุดความรู้เหล่านี้ก็เป็นที่มาของศาสตร์ทางด้านไฟฟ้าศาสตร์ใหม่ในสมัยนั้นที่ชื่อว่า อิเล็คโทรนิคส์ อุปกรณ์ที่มีชื่อเรียกลงท้ายด้วยคำว่า “เตอร์” ทั้งหลายจึงเกิดขึ้น ได้แก่ รีซิสเตอร์, คาปาซิเตอร์ ฯลฯ และทำให้สังคมมนุษย์เรามีเทคโนโลยีใหม่ ๆ ที่เกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็คโทรนิคส์มาไว้ใช้งานอีกมากมาย ได้แก่ โทรทัศน์, วิทยุ, โทรศัพท์ ฯลฯ

เมื่อพัฒนาการของอิเล็คโทรนิคส์เดินทางถึงจุดหนึ่ง ทำให้สรุปได้ว่า ขอให้มีโจทย์ขึ้นมาชัด ๆ เถอะว่า จะนำประจุไฟฟ้า +,- ไปใช้งานในลักษณะใด นักอิเล็คโทรนิคส์ก็จะสามารถคิดวงจรควบคุมการทำงานของประจุไฟฟ้า +,- ได้ไม่ยาก ในที่สุดก็มีคำถามเกิดขึ้นมาว่า จะนำเอาวงจรอิเล็คโทรนิคส์มาใช้ในการสร้างเครื่องคำนวณ หรือ Computer ได้หรือไม่? คำตอบของคำถามนี้จึงเป็นเรื่องที่จะต้องทำงานร่วมกันระหว่างนักคณิตศาสตร์และนักอิเล็คโทรนิคส์

นักคณิตศาสตร์เมื่อได้ข้อมูลในเรื่องของพลังงานไฟฟ้า จึงเริ่มบูรณาการเปลี่ยนการเรียกประจุ +,- ให้เป็นตัวเลขตามแนวทางที่ตัวเองถนัด เรียกใหม่เป็นเลข 0 และ 1 ซึงเป็นที่มาของคำว่า Digital ที่มีรากศัพท์ดั้งเดิมหมายถึง หลักหน่วย ถ้าพูดว่า Double Digit ก็หมายถึง หลักสิบ เป็นต้น และสรุปได้ว่า ประจุไฟฟ้า สามารถนำมาประยุกต์สร้างเป็นระบบตัวเลขในทางคณิตศาสตร์ได้ แต่มีข้อจำกัดอยู่ที่จะต้องใช้ตัวเลขที่แตกต่างกันเพียง 2 ตัวเท่านั้น คือ 0,1 ซึ่งระบบตัวเลขแบบนี้เรียกว่า เลขฐานสอง (Binary Digit)

แต่ในความเป็นจริงทฤษฎีและหลักการทางคณิตศาสตร์ ซึ่งได้รับการพัฒนาขึ้นมาเรียนรู้กันจนเป็นหลักสากลไปทั่วโลก เป็นเรื่องของตัวเลข 10 ตัว คือ 0, 1, 2, ..., 9 เรียกว่า เลขฐานสิบ การรู้จักเลขฐานสิบของมนุษย์ซึ่งได้เรียนรู้มาตั้งแต่เยาว์วัย จนแทบจะเรียกได้ว่าเป็นสามัญสำนึกที่ฝังแน่นอยู่ในสมองของคนเรา เราสามารถนำระบบเลขฐานสิบมาใช้ในชีวิตประจำวันได้โดยไม่รู้สึกสงสัยแต่ประการใด เช่น เราพูดว่า ประเทศไทยมี 76 จังหวัด ก็เป็นเรื่องปกติไม่มีใครสงสัยหรือตั้งคำถามกับตัวเลข 76

ดังนั้น โจทย์ขั้นต้นของการนำเทคโนโลยีอิเล็คโทรนิคส์มาใช้สร้างเครื่องคอมพิวเตอร์ จึงเป็นเรื่องของความพยายามหาความสัมพันธ์ของระบบเลขฐานสอง กับระบบเลขฐานสิบ นักคณิตศาสตร์จึงได้เสนอว่า ถ้าจะแปลง 0,1 ให้แทนค่า 0 ถึง 9 ได้ครบถ้วนก็จะต้องเอา 0,1 มาหลายตัว สลับกันไปมาไม่ให้ซ้ำกันเลยจึงจะได้ชุดรหัส (Code) ที่มีจำนวนเพียงพอ เช่น ใช้ 0,1 ชุดละ 2 ตัว สลับกันไปมา จะได้ชุดรหัส (Code) 4 ชุด คือ 00, 01, 10, 11

คำถามต่อมาจึงมีว่า จะต้องเอา 0,1 มากี่ตัวเพื่อสร้าง Code ชุดใหม่ให้แทนระบบเลขฐานสิบ ซึ่งต่อมามีผู้เสนอความคิดขึ้นมาว่า ไหน ๆ จะสร้าง Code จาก 0,1 แทนตัวเลขแล้ว ก็ให้คิดไปถึงการสร้าง Code แทนตัวอักษรในภาษาอังกฤษ ซึ่งมีทั้งตัวพิมพ์ใหญ่, ตัวพิมพ์เล็ก, สัญลักษณ์พิเศษ, เครื่องหมายทางคณิตศาสตร์ ตลอดจนจะต้องคิดไปถึง การมี Code เหลือพอสำหรับแทนภาษาอื่น ๆ ที่ไม่ใช่ภาษาอังกฤษอีกด้วย ในที่สุดจึงลงตัวที่จะต้องใช้ 0,1 ของระบบเลขฐานสอง จำนวน 8 ตัว มาสลับกันไปมาไม่ให้ซ้ำกันเลยก็จะได้ Code = 256 ชุด ใช้แทนตัวเลข, ตัวอักษร ดังกล่าวได้อย่างเพียงพอ

ข้อสรุปดังกล่าว จึงย้อนกลับมาเป็นคำถามว่า นักอิเล็คโทรนิคส์จะสามารถออกแบบและสร้างวงจรไฟฟ้าควบคุมการทำงานของประจุไฟฟ้า +,- หรือเรียกใหม่ว่าระบบตัวเลข 0,1 ที่จัดชุดมาชุดละ 8 ตัว ซึ่งตอนหลังได้ตั้งเป็นหน่วยนับขึ้นมาว่า 8 bit ได้หรือไม่? คำตอบคือ ได้ จึงทำให้สังคมมนุษย์ได้เทคโนโลยีตัวใหม่ขึ้นมาใช้ในปี ค.ศ.1946 เป็น Electronics Computer เครื่องแรกของโลกมีชื่อย่อว่า ENIAC