Historia de las Computadoras. Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras2 El hombre contra la...

Historia de las ComputadorasHistoria de las Computadoras

Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras 2

El hombre contra la máquina• El 12/11/1945, se organizó una competencia entre el soroban

(ábaco japonés) y la calculadora electrónica.• El operador de soroban fue Kiyoshi Matsuzaki, conocido

como “El manos” por su habilidad manual, tenía 22 años y era empleado del Ministerio de Comunicaciones de Japón.

• El operador de la calculadora fue Thomas Ian Wood, también de 22 años, era soldado de las fuerzas de ocupación de USA en Japón.

• Matsuzaki tenía 7 años de experiencia en soroban y Wood 4 años de experiencia en manejo de calculadoras.

• El soroban costaba unos 25 centavos de dólar y la calculadora alrededor de 700 dólares.

• A los dos les fueron dadas 5 tareas con las 4 operaciones básicas.


K. Matsuzaki vs. Thomas I. Woodábaco vs. calculadora electrónica

PROBLEMAS

P1: Suma: 50 números cada uno conteniendo de 3 a 6 dígitos.

P2: Resta: 5 problemas con minuendos y sustraendos de 6 a 8 dígitos cada uno.

P3: Multiplicación: 5 problemas cada uno conteniendo de 5 a 12 dígitos en el multiplicador y el multiplicando.

P4: División: 5 problemas cada uno conteniendo de 5 a 12 dígitos en el divisor y el dividendo.

P5: Composición: 1 problema de suma de 30 números de 6 dígitos; 3 problemas de resta, cada uno con dos números de 6 dígitos; 8 problemas de multiplicación cada uno conteniendo un total de 5 a 12 dígitos; 3 problemas de división, cada uno conteniendo un total de 5 a 12 dígitos.


¿Quién ganó?

• El resultado final fue de 4:1 para el ábaco. • Matsuzaki fue el vencedor en suma, resta,

división y mezcla de operaciones; solo fue derrotado en multiplicación.

• El desarrollo posterior de las calculadoras no debe cambiar ese resultado, pues la velocidad de cálculo es determinada por la habilidad humana en apretar el teclado y no por la velocidad de cálculo.


¿Porqué ganó el ábaco?

• Matsuzaki hacía las operaciones fáciles en su cabeza y usaba el ábaco para el resto.

• Wood, como la mayoría de los operadores, solo se dedicaba a apretar teclas.


3000 A.C.El ábaco fue inventado en

Babilonia


Los indios (de la India) inventaron el cero escrito, permitiéndoles efectuar la aritmética decimal en papel. Aquí comienza la llamada era de papel y lápiz.

Las matemáticas indias fueron difundidas por los árabes, al Occidente. En 830, un persa, Mohammed Al-Khwarismi, escribió un libro sobre álgebra. La palabra algoritmo se deriva de su apellido.


John Napier(1550-1617) inventó la "Tabla de Napier", que era similar a una tabla de multiplicaciones. La tabla reducía multiplicaciones y divisiones a sumas y restas. Usando ese principio, en 1620 fueron creadas las reglas de cálculo, usadas hasta 1970, antes de las calculadoras de bolsillo.

Regla de cálculo


Máquinas de calcularEl alemán Wilhelm Schickard (1592-1635) construyó una máquina de calcular en 1623 y la llamó “Speeding Clock”. La máquina original fue destruida en un incendio y los planos se perdieron en el siglo 19. En 1960 se construyó una réplica funcional.

El francés Blaise Pascal (1623-1662) diseño y construyó la segunda máquina de calcular en 1642-1652. La máquina, conocida como la Pascalina era capaz de sumar y restar.

Pascalina (calculadora de Pascal)Pascal

http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Schickard.html




El filósofo y matemático alemán Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) inventó en 1672 una calculadora mecánica, la Stepped Reckoner. La calculadora fue completada en 1694 y era capaz de sumar, restar, multiplicar y dividir. Solo queda un prototipo original de 16 dígitos en un museo de Hannover, Alemania.

http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Leibniz.html


Pero…

• Ninguno de esos 3 diseños fue viable debido a la complejidad de los mecanismos.


Isaac Newton(1643-1727) con su Teoría Gravitacional coronó la era de papel e lápiz. Su teoría despertó grandes desafíos matemáticos, entre ellos el Problema de los Tres Cuerpos - el Sol, la Tierra y la Luna, cuya solución es difícil y tediosa.

Con el tiempo, un gran número de científicos comenzó a pensar en hacer estos cálculos a través de alguna máquina...


En 1801, en Francia, durante la Revolución Industrial, Joseph Marie Jacquard, mecánico francés (1752-1834), inventó un telar mecánico controlado por tarjetas perforadas, capaz de producir tejidos con diseños bonitos e intrincados. En siete años, ya había 11 mil telares de ese tipo operando en Francia.


tarjeta perforada


1822 - Charles Babbage inició el proyecto de construcción de una “Máquina de Diferencias” (Difference Engine).1832 - Babbage y Joseph Clement construyeron una porción de dicha máquina.

El matemático inglés Charles Babbage (1792-1871) es conocido como el "Padre de la Computadora".

http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:BabbageDifferenceEngine.jpg


Babbage proyectó la llamada "Calculadora Analítica", parecida a la idea de un computadora actual.

El proyecto, totalmente mecánico, estaba compuesto de una memoria, un dispositivo central, engranajes y palancas para la transferencia de datos de la memoria hacia el dispositivo central y dispositivos para entrada e salida de datos. La calculadora utilizaría tarjetas perforadas y sería automática. Por algún tiempo, el gobierno británico financió a Babbage para construir a su invento. Pero nunca fue construida por problemas financieros, políticos y legales.

1834-35 - Babbage cambia su meta para el proyecto de la “Máquina Analítica” (Analytical Engine).


Ada inventó algunos conceptos: a) subrutina: una secuencia de instrucciones

que puede ser usada varias veces en diferentes contextos;

b) ciclos, de modo que la secuencia pueda tener su ejecución repetida; y

c) salto condicional: la lectora de tarjetas saltaría para otra tarjeta si alguna condición fuese satisfecha.

Ada Augusta (1815-1852), Lady Lovelace, hija del poeta Lord Byron, se considera la primera programadora al escribir series de instrucciones para la máquina analítica de Babbage.


El matemático inglés George Boole (1815-1864) publicó en 1854 los principios de la lógica booleana, donde las variables toman solo valores 0 e 1 (verdadero y falso).

La dificultad de implementar un dígito decimal (un número entero entre 0 e 9) en componentes eléctricos determinó el uso de la base 2 en las computadoras. La lógica booleana fue usada en la implementación de los circuitos eléctricos internos a partir del siglo 20.


Cerca de 1890, Herman Hollerith (1860-1929), fue responsable de un gran cambio en la manera de procesar los datos de los censos.

Los datos del censo de 1880, manualmente procesados, llevaron 7 años y medio para ser compilados. Los del censo de 1890 fueron procesados en 2 años y medio con la ayuda de una máquina de perforar tarjetas y máquinas de tabular y ordenar, creadas por Hollerith y su equipo.

Mas tarde, Hollerith fundó una compañía para producir máquinas de tabulación llamada Tabulating Machine Company, una de las antecesoras de IBM.


La primera computadora electromecánica, llamada Z-1, usaba relays y fue construida por el alemán Konrad Zuse (1910-1995) en 1936.

Zuze intentó venderle sin éxito al gobierno alemán computadoras para uso militar.

Computadoras electromecánicas


Relays electromecánicos


Z-1


La marina de USA, en conjunto con la Universidad de Harvard e IBM, construyó en 1944 la Mark I. En cierto sentido, Mark I era la realización del proyecto de Babbage.

Mark I ocupaba 120 m3, tenía miles de relays y hacía un ruido

infernal.

Una multiplicación de números de 10 dígitos llevaba 3 segundos

para ser efectuada.


Computadora electrónica

En secreto, el ejército de USA también desarrollaba su computadora. Esta usaba solo bulbos e tenía como objetivo calcular las trayectorias de misiles con mas precisión.

Válvula electrónica (bulbo)


Válvula electrónica (bulbo)


Los ingenieros John Presper Eckert (1919-1995) y John Mauchly (1907-1980) diseñaron la ENIAC: Electronic Numeric Integrator And Calculator, con 18.000 bulbos.La ENIAC hacía 500 multiplicaciones por segundo.

La ENIAC fue presentada en la Universidad de Pennsylvania el 14 de febrero de 1946 y se inicia la era de la computación moderna.


Von NeumannEl matemático húngaro John von Neumann (1903-1957) formalizó el proyecto lógico de una computadora.

von Neumann sugirió que las instrucciones fuesen almacenadas en la memória de la computadora (stored program concept).

Hasta entonces, las instrucciones era leídas de tarjetas perforadas y ejecutadas una a una.

Almacenadas en la memoria, para entonces ejecutarlas, tornaría la computadora mas rápida, yá que, al momento de ejecución, las instrucciones serían obtenidas con rapidez electrónica.

La mayoría de las computadoras de hoy en día siguen el modelo propuesto por von Neumann.


Generación de computadoras

• Las tres primeras generaciones de computadoras reflejan principalmente la evolución de los componentes básicos de la computadora (hardware): – La primera generación (1945-1959) usaban bulbos, kilómetros

de cables, eran lentas, enormes y se calentaban mucho. – En la segunda generación (1959-1964) se cambiaron los

bulbos por transistores y los cables por circuitos impresos. Eso volvió las computadoras mas rápidas, menores y de costo mas bajo.

– En la tercera generación (1964-1970) fueron usados los circuitos integrados, proporcionando mayor compactación, reducción de costos e incremento en la velocidad de procesamiento. Tiene inicio la utilización de avanzados sistemas operativos.

– Las generaciones posteriores, de 1970 hasta hoy, se caracterizan por el perfeccionamiento tecnológico, un mayor grado de miniaturización, densidad de componentes, confiabilidad y velocidad mayor.


Evolución de la Microelectrónica

(1925) Lilienfeld: principios de los transistores de efecto de campo

(1947) Bardeen e Brattain: inventaron el transistor de unión bipolar (BJT - bipolar junction transistor)

(1948) Shockley: teoría del BJT

(1958) Kilby (Texas Instr.): desarrollo del primer circuito integrado

(1959) Atalla e Kahng: producen el primer transistor MOS

(1970) Intel: DRAM de 1-Kbit (3 transistores/bit PMOS)

(1971) Intel: microprocesador 4004 (2300 transistores NMOS)

Final de los años 1970: primeros circuitos CMOS


Usando semiconductores, los transistores pudieron sustituir a los bulbos, siendo menores, mas rápidos y mas duraderos, además de que no se calientan tanto ni consumen tanta energía.

El 23 de diciembre de 1947, en los Bell Labs, John Bardeen, Walter Brattain, e William Shockley, desarrollaron el primer transistor;

Invención del transistor

Diversos encapsulamientos de transistores


Desarrollo de los primeros circuitos integrados

• En los años 60s, bajo la influencia del programa espacial de USA,

el desarrollo de la microelectrónica llevó a la construcción de circuitos transistorizados integrados en una única pastilla de silicio (chip) de dimensiones reducidas.

• Decenas de millares de transistores son integrados en un chip de algunos milímetros cuadrados, dando origen a los circuitos integrados.

• 1971 – El equipo de Ted Hoff, S. Mazor y F.Fagin desarrolló el microprocesador 4004 de Intel, la primera computadora en un chip.

2300 transistores

Microprocessador 4004


Microprocesadores de la década de 1970

Microprocesadores

4004 8008 8080 8086 8088

Año 1971 1972 1974 1978 1979

Reloj 108KHz 108KHz 2MHz 5-10MHz 5-8MHz

Bus 4 bits 8 bits 8 bits 16 bits 8 bits

Número de transistores

2,300 3,500 6,000 29,000 29,000

Tecnología 10 micrones 6 micrones 3 micrones 3 micrones

Direccionamiento de memoria

640 bytes 16 Kilobytes 64 Kilobytes 1 Megabyte 1 Megabyte

Memoria Virtual

- - - - -


8008 (primero microprocesador de 8 bits) año 1972

3500 transistores

10 micrones


8080 (microprocesador de 8 bits) 1974

6000 transistores

6 micrones


8086 – microprocesador de 16 bits (1978)

29000 transistores

3 micrones


Procesadores de la década de 1980

Microprocesadores/Características

80286 80386DX 80386SX 80486DX

Año 1982 1985 1988 1989

Reloj 6-12.5 MHz 16-33 MHz 16-33 MHz 25-50 MHz

Bus 16 bits 32 bits 16 bits 32 bits


134,000 275,000 275,000 1,200,000

Tecnología 1.5 micrones

1 micrón 1 micrón 0.8 -1 micrón


16 Megabytes

4 Gigabytes 4 Gigabytes 4 Gigabytes

Memoria Virtual 1 Gigabyte 64 Terabytes 64 Terabytes 64 Terabytes

Caché - - - 8 Kilobytes


80286 (1982)

134,000 transistores

1.5 micrones


80386 (1985)

275,000 transistores

1 micrón


80486DX (1989)

1,200,000 transistores

0.8 – 1 micrón


Procesadores de la década de 1990

Micropro-cesadores

80486SX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium III

Año 1991 1993 1995 1997 1999

Reloj 16-33 MHz 60-166 MHz 150-200 MHz 200-300MHz 400-1000MHz

Bus 32 bits 32 bits 64 bits 64 bits 64 bits


1,185,000 3,100,000 5,500,000 7,500,000 9,500,000

Tecnología 1 micrón 0,8 micrón 0.6 micrón - -


4 Gigabytes 4 Gigabytes 64 Gigabytes 64 Gigabytes 64 Gigabytes

Memoria Virtual

64 Gigabytes 64 Terabytes 64 Terabytes 64 Terabytes 64 Terabytes

Caché 8Kbytes Instrucción 8KDato - 8K

Instrucción 8K Dato – 8 KL2 – 256 K

Instrucción 16KDato- 16 KL2 – 512 K

Instrucción 16KDato–16 KL2 – 512 K

Nota: L2 caché de segundo nivel


Pentium (1993)


0.8 micrón


Pentium II (1995)


0.6 micrón


Pentium III (1999)

21,000,000transistores

0.18 micrón


0.18 micrón

35,000,000transistores


Ley de Moore

• “La densidad de transistores a la cual el costo por transistor es mínimo, se duplica cada dos años”

Gordon Earle Moore, 1975


Ley de Moore (aplicada a partir de 1900)


Cada 2 años se dobla la cantidad de transistores en las CPUs (Ley de Moore)


Evolución del costo de memoria


Capacidad de Memoria (DRAM de chip único)

size

Year

Bits

1000

10000

100000

1000000

10000000

100000000

1000000000

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

ano tamaño tiempo

1980 64K 250 ns

1983 256K 220 ns

1986 1M 190 ns

1989 4M 165 ns

1992 16M 145 ns

1996 64M 120 ns

2000 256M 100 ns


Tendencias Tecnológicas(Resumen)

Capacidad Velocidad (latencia)

Lógica 2x en 3 años 2x en 3 años

DRAM 4x en 3 años 2x en 10 años

Disco 4x en 3 años 2x en 10 años


Interconexiones dentro de un chip


SOC (System on Chip)


System on Chip


System on Chip

Aplicaciones dedicadas y empotradas, donde el costo, desempeño y consumo de energía son críticos.

Uso intensivo de procesamiento de señales digitales – DSP.

Mezcla de diversos componentes.

Combinación de módulos programables y dedicados.

Software tiene un papel fundamental.


Conclusiones• Tendencia hacia el sistema en el chip.

• Tendencia hacia sistemas empotrados.

• Demanda creciente de memoria y velocidad de procesamiento.

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