Història de la Computació: De Turing a Von Neumann

El Llegat d'Alan Turing i la Fi de l'Era Mecànica

L’any 1952, Alan Turing va ser acusat d’indecència greu i perversió sexual, i se li va donar a triar entre la castració química o la presó; ell va triar la castració. Dos anys després, es va suïcidar menjant una poma que contenia cianur.

Amb ell va acabar el que es coneix com a informàtica mecànica, és a dir, ordinadors que funcionaven amb engranatges, i va començar l’era dels dispositius electromecànics.

Konrad Zuse: El Pioner dels Ordinadors Electromecànics

El pare d’aquest tipus d’ordinadors és Konrad Zuse, un enginyer alemany. Va estudiar alhora enginyeria i belles arts, i es va pagar els seus estudis d’enginyeria venent els quadres que pintava.

La Z-1: Innovació amb Corrent Elèctric

A partir de 1934, Zuse es va començar a plantejar crear una computadora, cosa que va acabar fent entre els anys 1936 i 1938. Aquest ordinador és conegut com a Z-1. Va ser molt innovador perquè va ser el primer a utilitzar el corrent elèctric per transmetre la informació; fins aleshores, es feia amb engranatges. Ho feia d’una manera molt rudimentària: posava làmines metàl·liques en paral·lel que s’accionaven gràcies a l’electromagnetisme. Va ser el primer a eliminar els engranatges.

La Z-2 i l'Era dels Relés

Però la màquina veritablement innovadora va ser la Z-2. Va ser la primera a incorporar relés en comptes d’engranatges. Un relé consisteix en una bobina de fil de coure que es troba sota d’un inductor de ferro. Aquesta bobina va agafant corrent (depenent del material de què estigui feta, agafarà corrent més ràpidament); quan està suficientment carregada, atrau l’inductor de ferro que hi ha a sobre, i aquest crea un contacte entre els dos (com el codi Morse). L’avantatge del relé és que aguanta la resistència, no pateix desgast i es pot controlar molt més. A més, són molt barats, ja que fer un engranatge específic és molt difícil. Zuse va utilitzar relés que la companyia telefònica no utilitzava. Tenen poc desgast i no hi ha tensió del mecanisme. Quan va veure que la Z-2 funcionava bé, va decidir crear la Z-3.

La Z-3: La Primera Computadora Digital

La Z-3 la va construir amb capital privat d’amics, ja que el govern nazi, que governava en aquell moment, estava interessat a iniciar la guerra i considerava que tenia poca utilitat militar, per la qual cosa no li van donar finançament. Els bombardejos aliats sobre Berlín van destruir totes les màquines Z, quedant-ne només reproduccions. Tot i així, la Z-3 va funcionar entre 1941 i 1945, per això està considerada la primera computadora digital de la història.

Howard Aiken i la Mark I: L'Ordinador Híbrid

Qui es va endur aquest mèrit durant molts anys va ser Howard Aiken, un enginyer americà. Aiken va estudiar enginyeria i posteriorment va fer un doctorat de física. Va ser un dels enginyers encarregats d’un dels projectes experimentals que tenia IBM en aquesta universitat. El projecte era molt especulatiu; la intenció era veure si es podia crear la màquina analítica de Babbage utilitzant tecnologia electromecànica. Aquest projecte es deia ASCC (Automatic Sequence Controlled Calculator) però és coneguda popularment com la Mark I. Aquesta màquina va ser desenvolupada entre 1937 i 1944; conseqüentment, la Z-3 de Zuse és anterior. Era una màquina que tan sols podia fer les funcions bàsiques (+, -, x, /) però amb 46 decimals. El tipus d’acció matemàtica que havia de fer es realitzava introduint una cinta perforada, com les d’Ada Lovelace, i els resultats quedaven impresos en un paper. Era una màquina híbrida, ja que tenia una part d’engranatges i una altra que utilitzava relés; hi havia 3.000 relés.

La Mark 37: Aplicacions Militars

Aiken no ho sabia, però darrere d’això hi havia una investigació militar que es va concretar amb la creació de les Mark 37, que van ser els primers computadors d’ús militar i que van ser determinants durant la Segona Guerra Mundial. Rebien la informació dels radars i calculaven la trajectòria que havien de tenir els projectils per disparar. Van estar operatius fins als anys 70. Però encara els faltava ser completament electrònics.

L'ABC: El Primer Pas Cap a l'Electrònica Pura

Aquest pas cap a un funcionament completament electrònic va ser donat per John Atanasoff i Clifford Berry. Atanasoff, professor de càlcul a Iowa, va planificar com havia de ser un ordinador electrònic.

Principis de Disseny de l'ABC

Aquest esquema es basava en tres principis fonamentals:

1. Havia d’usar electrònica i electricitat, ja que garantia una gran velocitat de transmissió de dades i poc desgast.
2. S’havia d’utilitzar el codi binari.
3. Utilització de condensadors per fer càlculs directes i com a memòria.

Amb aquest esquema, va aconseguir una beca i l’ajuda d’un jove estudiant d’enginyeria, Clifford Berry, que es va encarregar de construir la màquina. En menys d’un any, la van tenir en funcionament; així va néixer la màquina ABC (Atanasoff-Berry Computer). L’any 1940, la màquina va començar a resoldre equacions diferencials com mai s’havia vist.

La Revolució de les Làmpades de Buit

Aquest ordinador va aportar una novetat tecnològica: la utilització de les làmpades de buit. Les làmpades de buit van substituir els relés i van augmentar la velocitat de càlcul en mil·lèsimes de segon, ja que en lloc d’utilitzar una resistència, utilitzaven gasos emmagatzemats dins de les làmpades de buit. Depenent de la conductivitat del gas, s’activaven o no. Al no haver-hi contacte entre els elements, no hi havia desgast. Això va canviar completament el panorama de la informàtica, ja que s’eliminaven tots els components mecànics; per primera vegada, un ordinador funcionava de manera electrònica. Més tard, aquests tubs de buit serien substituïts pels actuals transistors i, posteriorment, pels circuits integrats.

El Reconeixement Tardà d'Atanasoff

La universitat no va patentar aquest invent, i això va fer que rebés moltes demandes sobre els drets d’autoria del primer ordinador electrònic. A més, Atanasoff no en va treure cap mena de benefici. No se li van reconèixer els seus mèrits fins l’any 1973.

ENIAC: El Primer Ordinador Universal

Perquè la informàtica s’acabés d’assentar, calia alguna cosa més que velocitat de càlcul. El que va fer que definitivament la informàtica passés a un primer pla va ser la creació del primer ordinador de càlcul universal, capaç de calcular qualsevol cosa. El primer ordinador de càlcul universal va ser l'ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer).

El Projecte PX i els seus Creadors

L’exèrcit va finançar aquesta investigació, i el que perseguia era que es poguessin calcular més ràpidament les trajectòries dels projectils. La Mark 37 trigava 20 minuts a calcular una trajectòria i només servia per a bombardejos en zones determinades. Amb l'ENIAC, el càlcul es va reduir a 32 segons; conseqüentment, es va facilitar la creació dels primers antimíssils. L'ENIAC estava dins d’un projecte secret de l’exèrcit americà anomenat PX, engegat l’any 1943. El projecte PX es va desenvolupar a la Universitat de Pennsilvània i comprenia tant experts civils com militars. Destaquen els enginyers elèctrics civils John Presper Eckert i John W. Mauchly. Aquests es van inspirar en els treballs de Babbage i Aiken (creador de la Mark I) i, sobretot, en els treballs d’Atanasoff (creador de l'ABC). El projecte PX va tenir molta influència d’Atanasoff perquè el seu ordinador era funcional en el seu moment, i Mauchly va veure com funcionava l’ordinador ABC.

Les ENIAC Girls: Pioneres de la Programació

L'ENIAC era un ordinador sense interfícies gràfiques i funcionava de la mateixa manera que la màquina de càlcul de Babbage: s’introduïen els programes o programacions en cinta perforada i s’extreia la informació mitjançant impressió. Molts dels càlculs no eren finals; havia de calcular un problema d’un en un. No funcionava amb codi binari, sinó amb codi decimal, perquè fos comprensible pels operaris que hi treballaven. Aquests operaris eren totes dones, sis matemàtiques que feien funcionar l'ENIAC, conegudes com les ENIAC Girls. Cal destacar la presència d’Elisabeth Jean Jennings i Elizabeth Snyder Holberton, que van fer una llarga carrera en el món de la informàtica.

L'Arquitectura de Von Neumann

Aquest ordinador funcionava íntegrament amb tubs de buit, com l'ABC, i un dels problemes principals va ser la creació de la refrigeració de l’espai, ja que hi havia 17.468 tubs de buit funcionant alhora. L’any 1944, una vegada l’ordinador ja estava creat, van integrar a l’equip a John von Neumann, que s’havia d’encarregar de l’arquitectura de la màquina juntament amb les programadores. Però al final, se li va atribuir a ell sol el sistema de funcionament de l’ordinador; per això, actualment coneixem l’estructura de funcionament dels ordinadors com a Arquitectura de Von Neumann.

L’Arquitectura de Von Neumann és un model fonamental per al disseny de la majoria d’ordinadors moderns. Segons aquest model, tot ordinador ha de tenir dispositius d’entrada i sortida que han de poder funcionar alhora sense interferir-se (per exemple, el teclat com a entrada i la pantalla com a sortida). Aquests dispositius d’entrada i sortida prenen contacte amb la memòria principal i la CPU (Unitat Central de Processament).

Components Clau de la CPU

La CPU està formada per tres parts principals:

• ALU (Unitat Aritmètica i Lògica): És la unitat bàsica que realitza càlculs aritmètics i operacions lògiques. En el context de l'ENIAC, que operava amb decimals, es pot considerar una"super calculador".
• Registres (RP): Són memòries molt petites i ràpides dins de la CPU que emmagatzemen dades temporals i resultats intermedis dels càlculs.
• Unitat de Control (UC): És la part que busca les instruccions a la memòria, les descodifica i les executa, coordinant totes les operacions de l’ordinador.

La Importància de la Memòria RAM

Per això, la memòria principal és molt important; és el que coneixem com a RAM (Random Access Memory). La memòria RAM tant emmagatzema dades de manera massiva com també fa funcionar els programes, ja que és la memòria que utilitza el programa per treballar, incloent-hi els càlculs en procés. Aquesta memòria pot ser interna o externa, mentre que la resta de components de la CPU van integrats.