Računálnik () je naprava ali sistem, ki je sposoben izvajati zaporedje operacij (algoritem). Pri tem procesira informacije, običajno v obliki numeričnih ali logičnih operacij, ali procesiranja podatkov, za kar uporablja vhodno-izhodne naprave. Ker se zaporedje izvajanja operacij s spremembo programa lahko spremeni, lahko računalnik uporabljamo za različne namene.
Računalnik ima vsaj en element za procesiranje, običajno je to centralno procesna enota (CPU; angl. Central Processing Unit) in spomin v taki ali drugačni obliki. Element za procesiranje izvaja aritmetične in logične operacije (za kar skrbi ALU; angl. Arithmetic Logic Unit). Krmilna enota skrbi za zaporedje izvajanja operacij in ukazov. Zunanje naprave omogočajo pridobivanje podatkov iz zunanjih virov (npr. tipkovnica, miška, spominske naprave, optični čitalci, ipd.), izpisovanje rezultatov (monitor, tiskalnik) in shranjevanje podatkov (trdi diski, trakovi, optični nosilci).
V drugi svetovni vojni so za potrebe specializiranih vojaških operacij uporabljali mehanske analogne računalnike. V tem času so se pojavili prvi elektronski digitalni računalniki. Zasedali so velikost večje sobe, potrebovali so toliko energije, kot je danes zadostuje za več sto osebnih računalnikov (PC-jev).Leta 1946, je ENIAC potreboval približno 174 kW. Kot primerjava, sodobni prenosnik lahko potroši približno 30 W; približno 6.000 krat manj.
Sodobni računalniki, ki temeljijo na integriranih vezjih, so miljonkrat do miljardokrat zmogljivejši od zgodnejših naprav, in zasedajo le drobec prvotnega prostora.Zgodnji računalniki kot sta Colossus in ENIAC sta bila sposobna procesirati med 5 in 100 operacij na sekundo. Moderni “commodity” microprocesorji (od 2007) lahko procesirajo milijardo operacij na sekundo, in kar nekaj teh operacij je bolj zapletena in uporabna od operacij zgodnejših računalnikov. Enostavni računalniki so dovolj majhni, da se jih lahko umesti v mobilne naprave. Mobilne računalnike in druge prenosne naprave (telefone, elektronske naprave ipd.) lahko napajajo majhne baterije. Osebni računalniki so v svojih različnih oblikah ikona informacijske dobe in običajno ljudje pomislijo na njih, ko je govora o »računalnikih«. Vendar je številčno najobširnejša uporaba računalnikov v vgrajenih računalnikih v napravah, od pametnih telefonov preko avtomobilov do lovskega letala, in od igrač do industrijskih robotov.
Zgodovina Osnovne naprave za računanje so se pojavile že v antiki, mehanske pomočnike pa so izumili v 17. stoletju. V tem stoletju se je prvič pojavila angleška beseda computer (računar, danes v pomenu računalnik); takrat se je nanašala na osebe, ki so opravljale najrazličnejše izračune, pogosto kot poklic. Prve računalniške naprave so zasnovali v 19. stoletju, v sodobni obliki pa so se opredmetile šele v 1940.-ih.
Prva računska naprava za splošno rabo
Prve računske stroje je zasnoval že francoski matematik Blaise Pascal (seštevanje in odštevanje) in nemški matematik Gottfried Leibniz (množenje in deljenje) v 17.stoletju. Ta sta omogočila osnovne kalkulatorske dosežke. Na tej napravi so opazno nadaljevali razvoj, a največji dosežek se je zgodil v okviru Analitičnega društva Univerze Cambridge. Charles Babbage, angleški strojni inženir in polimatematik, je prvi začrtal način delovanja programabilnega računalnika, ki je sledil navodilom po tablicah z luknjicami in je opazno obogatil Pascalovo zasnovo s strojniškim znanjem. Stroj je deloval na paro in je po zasnovi in uporabi diferencialnih izračunov prvi in najpomembnejši preskok v razvoju računalniškega stroja. Babbage je običajno označen kot oče računalnika. Babbage je v zgodnjem 19. stoletju zasnoval in izumil prvi mehanični računalnik. Pri vpeljevanju diferencialnih izračunov in kotnih funkcij pri izračunavanju težjih matematičnih podvigov se je oprl na delo francoskega matematika Gasparda de Pronya, ki je pri delu logaritmičnih tabel in trigonometrije prepuščal po zgledu na industrijsko metodo tekočega traku izračune manjših delov računskega izraza preprostih delavcem, ki so opravili svoje delo in prepustili drugi skupini izračune. Po delu na njegovem revolucionarnem diferenčnem stroju, zasnovanemu za pomoč pri navigacijskih izračunih, je leta 1833 spoznal, da je možna izvedba tudi mnogo bolj zapletene naprave, t. i. analitični stroj. Vnos programov in podatkov je predvidel s pomočjo luknjanih kartic, iznajdbo, ki je v tistem času omogočala krmiljenje tkalnih strojev. Kot izhod naj bi naprava uporabljala tiskalnik, črtalnik in zvonec. Stroj naj bi ravno tako bil zmožen luknjanja kartic s številkami, kar bi lahko uporabil kasneje med procesom izračunavanja. Stroj naj bi vključeval tudi aritmetično logično enoto (angl. arithmetic logic unit, ALU), nadzornika tokov v obliki pogojnega vejenja in programskih zank, in naj bi vseboval tudi spomin, kar vse skupaj perdstavlja obliko, ki bi jo s sodobnimi pojmi opisali kot Turingovemu stroju enakovredno.
Stroj je bil približno stoletje pred časom. Vse sestavne dele bi morali izdelati ročno, kar je bil velik problem za napravo, sestavljeno iz tisočev sestavnih delov. Sčasoma je zaradi odločitve angleške vlade, da zaustavi financiranje, projekt počasi zamrl. V razvoju se je Babbagu pridružila tudi Ada Lovelace, sicer hčer lorda Byrona, ki je znanstveni skupnosti predstavila nadaljnji razvoj Analitičnega stroja in tako prva predstavila vse možnosti sodobnega osebnega računalnika. Poleg Babbegeve zamisli stroja, ki lahko opravlja različne naloge, je ona dodala tudi dimenzijo izračunavanja tudi drugačnih vrednosti, ki se lahko prenesejo v glasbo, besede, simbolne vrednosti. Kot del predstavitve analitičnega stroja je ponudila tudi način, kako bi tak stroj lahko izračunaval naloge in tako velja za prvega računalniškega programerja. Ada Lovelace je ponudila Babbagu tudi poslovno sodelovanje, ki ga ta ni sprejel, ker se je opiral na vladno pomoč pri razvoju. Tako Ada Lovelace kot Babbage sta končala v revščini, Lovelace ni nadaljevala z objavljanjem znanstvenih del in postala kasneje celo odvisnik od igranja na srečo in opiatov.
Babbageov neuspešen poskus dokončati napravo bi lahko v največji meri pripisali ne samo političnim in finančnim razlogom, temveč tudi njegovi želji razviti vedno bolj zmogljiv računski stroj in napredovati hitreje, kot bi kdorkoli drug lahko sledil. Kakorkoli, njegov sin, Henry Babbage, je po njegovi smrti v letu 1888 uspešno sestavil poenostavljeno verzijo računske enote analitičnega stroja (mlin). Leta 1906 je uspešno prikazal njegovo uporabo pri preračunavanju tablic.
Prvi analogni računalniki
V prvi polovici 20. stoletja so vedno več znanstvenih zahtev podprli številni vedno bolj izpopopolnjeni analogni računalniki, ki so za osnovo izračunov uporabljali mehanični ali električni način obdelave izračuna. Toda, vsi ti stroji niso bili programabilni in jim je s tem primanjkovalo prilagodljivosti in natančnosti sodobnih digitalnih računalnikov. Prvi sodobni analogni računalnik je bil stroj za napovedovanje plime, ki ga je izumil Sir William Thomson, Lord Kelvin leta 1872. Diferencialni analizator, mehanični analogni računalnik zasnovan za reševanje diferencialnih enačb s pomočjo integralov, ki je uporabljal kolesca in diske, je leta 1876 izdelal James Thomson, brat bolj slavnega Lorda Kelvina.Ray Girvan, "The revealed grace of the mechanism: computing after Babbage" , Scientific Computing World, May/June 2003 Umetnost mehaničnega analognega računanja je vrh dosegla z diferencialnim analizatorjem, ki sta ga na MIT leta 1927 zgradila H. L. Hazen in Vannevar Bush. Naprava je bila zgrajena na osnovi mehaničnih integratorjev Jamesa Thomsona in ojačevalcev navora, izumom H. W. Niemana. Preden je bila njihova zastarelost očitna, so zgradili 12 tovrstnih naprav.
Obdobje sodobnih računalnikov
Način delovanja sodobnega računalnika je prvi v svoji razpravi O izračunljivih številih leta 1936 opisal računalniški znanstvenik Alan TuringProceedings of the London Mathematical Society. Turing je ponovno določil meje dokazov in izračunov, ki jih je leta 1931 nakazal Kurt Gödel; Gödelov splošni formalni jezik na osnovi aritmetike je nadomestil z izmišljenimi in prav tako formalnimi napravami, ki so postale znane kot Turingovi stroji. Dokazal je, da bi neka taka naprava lahko bila sposobna izvesti katerokoli nedvoumno matematično operacijo, če bi le bila predstavljena v obliki algoritma. Dokazal je tudi, da ni rešitve za tako imenovani Entscheidungsproblem (odločitveni problem), in sicer tako, da izračunljivost problema za Turingov stroj ni vnaprej določena: na splošno ni možno z algoritmom za katerikolo izbrano kombinacijo vhodnih podatkov in algoritmov določiti, ali bo posamezni Turingov stroj program zaključil ali bo tekel do neskončnosti.
Vpeljal je tudi izraz »Splošni stroj« (sedaj bolj znan kot splošni oz. univerzalni Turingov stroj), ki je izraz za stroj, ki lahko izvede katerokoli operacijo drugega računskega stroja, ali, z drugimi besedami, računsko operacijo ali izračun na osnovi programa, shranjenega na traku, s čimer dosežemo programabilnost naprave. Von Neumann je potrdil, da je osnovni koncept sodobnega računalnika plod teh Turingovih spoznanj."von Neumann ... firmly emphasized to me, and to others I am sure, that the fundamental conception is owing to Turing—insofar as not anticipated by Babbage, Lovelace and others." Letter by Stanley Frankel to Brian Randell, 1972, quoted in Jack Copeland (2004) The Essential Turing, p22. Turingovi stroji so še danes osnovni predmet računske teorije. Razen omejitev, ki so posledica njihovih končnih spominskih zmožnosti, za sodobne računalnike privzemamo, da so popolni po Turingu, kar pomeni, da imajo univerzalnemu Turingovemu stroju ustrezajočo zmožnost izvajanja algoritmov.
Prvi elektromehanični računalniki
Herman Hollerith je leta 1889 razvil in patentiral elektromehansko napravo (tabulator), ki je uporabljala luknjane kartice, ter z njo pohitril statistično obdelavo podatkov; popis prebivalstva v ZDA leta 1890 je bil tako opravljen v dveh letih in pol, prejšnjega (1880) pa so obdelovali 7 let. Leta 1896 je ustanovil podjetje Tabulating Machine Company. To se je leta 1911 združilo z dvema drugima podjetjema v Computing Tabulating Recording Corporation (CTR), ki se je kasneje (1924) preimenovalo v IBM.
Zgodnji digitalni računalniki so bili elektromehanski; električna stikala so za izvedbo računskih operacij usmerjala mehanične releje. Tovrstne naprave so imele nizko operativno hitrost in so jih sčasoma nadomestili mnogo hitrejši popolnoma električni računalniki, ki so uporabljali vakuumske cevi oz. elektronke. Računalnik Z2, ki ga je leta 1939 izdelal nemški inženir Konrad Zuse, je bil eden najzgodnejših primerov elektromehanskega relejnega računalnika. Leta 1941 je Zuse nadgradil svojo predhodno napravo z Z3, prvim delujočim elektromehaničnim programabilnim, popolnoma avtomatskim digitalnim računalnikom. Z3 je sestavlljalo 2000 relejev, kar je omogočalo 22 bitne zloge, ki so usmerjali delovno frekvenco 5–10 Hz. Programska koda in podatki so se hranili na luknjanem celuloidnem filmskem traku. V nekaterih pogledih je bil podoben sodobnim računalnikom, prvi pa je omogočal številne napredne zmožnosti, npr. števila s plavajočo vejico. Zamenjava za izvedbo zahtevnega desetiškega sistema (ki ga je predvidel Charles Babbage) z mnogo enostavnejšim dvojiškim je pomenila, da so Zusejeve naprave bile enostavnejše za izdelavo in predvidoma bolj zanesljive, zlasti upoštevaje takratno stanje tehnologije. Z3 je bil najverjetneje po Turingu popoln stroj.
Pojav elektronskih programabilnih računalnikov na osnovi elektronk