martes, 14 de enero de 2014

Hitos en la historia de las computadoras


Trabajo semana 2 curso 290642 del SENA-
Tecnologías de la Informática y la Comunicación



Hitos en la historia de las computadoras

La Harvard Mark 1

El IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), más conocido como Harvard Mark o Mark 1, fue el primer ordenador electromecánico, construido en la universidad de Harvard por Howard H. Aiken en 1944, con la subvención de IBM. Tenía 760.000 ruedas, más de 800 kms de cable, más de 3 millones de conexiones, 15.5 mts. de largo, unos 2.40 de alto y 60 cmts de ancho, además pesaba unas cinco toneladas, pero lo más impresionante fueron unas cubiertas de cristal que dejaban que se admirara toda la maquinaria de su interior.






 




 El computador Mark 1 empleaba señales electromagnéticas para mover las partes mecánicas; esta máquina era lenta (tomaba de 3 a 5 segundos por cálculo) e inflexible (la secuencia de cálculos no se podía cambiar), pero ejecutaba operaciones matemáticas básicas y cálculos complejos de ecuaciones sobre el movimiento parabólico de proyectiles; funcionaba con relés, se programaba con interruptores y leía los datos de cintas de papel perforado; la Mark 1 recibía sus secuencias de instrucciones (programas) y sus datos a través de lectoras de cinta perforada de papel y los números se transferían de un registro a otro por medio de señales eléctricas; los resultados producidos se imprimían usando máquinas de escribir eléctricas o perforadoras de tarjetas, en la más pura tradición de IBM. Aunque tenía componentes electromecánicos era una máquina automática eléctrica. Era capaz de realizar 5 operaciones aritméticas (suma, resta, multiplicación, división y referencias a resultados anteriores). Su interior estaba compuesto por 750.000 piezas de diferentes variedades; estaba compuesta de más de 1.400 interruptores rotatorios de 10 posiciones en el frente de la máquina para vizualizar los valores de los registros constantes que se le introducían; pero además de los registros constantes la máquina contenía 72 registros mecánicos, cada uno capaz de almacenar 23 dígitos, los dígitos que se usaban para el signo eran un 0 para signo positivo y un 9 para el signo negativo; la posición de la coma decimal estaba fija durante la solución de un problema, pero podía ajustarse de manera que estuviera entre 2 dígitos cualquiera; la máquina contaba también con mecanismos que permitían efectuar cálculos de doble precisión (46 decimales), mediante la unión de 2 registros, en una forma análoga a la máquina de Babbage. 



La Mark 1 se programaba recibiendo secuencias de instrucciones a través de una cinta de papel, en la cual iban perforadas las instrucciones y números que se transferían de un registro a otro por medio de señales eléctricas; el tiempo mínimo de transferencia de un número de registro a otro y en realizar cada una de sus operaciones básicas (resta, suma multiplicación y división era de 0.3 segundos, aunque la división y la multiplicación eran más lentas. La capacidad de modificación de la secuencia de instrucciones con base en los resultados producidos durante el proceso de cálculo, era pequeña; la máquina podía escoger de varios algoritmos para la ejecución de cierto cálculo, sin embargo, para cambiar de una secuencia de instrucciones a otra era costoso, ya que la máquina se tenía que detener y que cambiaran la cinta de control; por lo tanto se considera que la Mark 1 no tiene saltos incondicionales, aunque posteriormente se le agregó lo que fue llamado Mecanismo Subsidiario de Frecuencia (era capaz de definir hasta 10 subrutinas, cada una de las cuales con un máximo de 22 instrucciones), que estaba compuesto de 3 tablones de conexiones que se acompañaban de 3 lectoras de cinta de papel; y se pudo afirmar que la Mark 1 podía transferir el control entre las lectoras, dependiendo del contenido de los registros.

La ENIAC

ENIAC, acrónimo de Electronic Numerical Integrator And Computer (Computador e Integrador Numérico Electrónico). Diseñada para calcular las tablas de tiro de la artillería del ejército de Estados Unidos, por el Laboratorio de Investigación Balística; cuando se anunció en la prensa como un “cerebro gigante” se jactó de velocidad mil veces mayor que la de aparatos electromecánicos, un salto en la potencia de cálculo que ninguna máquina igualaba; la ENIAC podía resolver 5.000 sumas y 300 multiplicaciones en 1 segundo; en 1.5 segundos era posible calcular la potencia 5000 de un número de hasta 5 cifras. Esta capacidad matemática, junto a su capacidad de programación de propósito general, entusiasmó a científicos e industriales, así, los inventores promovieron la difusión de estas nuevas ideas mediante la realización de una serie de conferencias sobre arquitectura de computadoras.

El diseño de la ENIAC y su construcción fue financiado por el ejército de los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial; el contrato de construcción fue firmado el 5 de junio de 1943 y el trabajo comenzó en secreto a partir del mes siguiente por la Escuela Moore de Ingeniería Eléctrica de la universidad de Pennsylvania, con costo de casi US$ 500.000, y fue formalmente aceptada por la artillería del ejército en julio de 1946; fue cerrada el 9 noviembre del mismo año para una renovación y actualización de memoria, y fue trasladada a Aberdeen Proving Ground, Maryland, donde fue encendida el 29 de julio de 1947 y estuvo en funcionamiento continuo hasta las 23:45 del 2 de octubre de 1955.

Se ha considerado a menudo la primera computadora electrónica de propósito general, aunque este título pertenece en realidad a la computadora alemana Z3. Era totalmente digital, es decir que ejecutaba sus procesos y operaciones mediante instrucciones en lenguaje máquina, a diferencia de otras máquinas computadoras contemporáneas de procesos analógicos.

Construída por John Presper Eckert y John William Mauchly, ocupaba 167m2 y operaba con 17.468 válvulas electrónicas o tubos de vacío,que a su vez permitían realizar unas 5000 sumas y 300 multiplicaciones por segundo; físicamente tenía 17.468 tubos de vacío, 7.200 diodos, 1.500 relés, 70.000 resistencias, 10.000 condensadores y 5 millones de soldaduras; pesaba 27 toneladas, medía 2.4 x 0.9m x 30m, utilizaba 1.500 conmutadores electromagnéticos y relés, requería la operación manual de unos 6.000 interruptores y su programa, cuando requería modificaciones, demoraba semanas de instalación manual; elevaba la temperatura del local a 50 oC, para efectuar las operaciones era preciso cambiar, conectar y reconectar los cables, esto podía durar días dependiendo del cálculo a realizar.

ENIAC utilizaba válvulas termoiónicas de base octal, comunes en su época; los acumuladores decimales se hacían con válvulas 6SN7, mientras que las válvulas 6L7, 6SJ7, 6SA7 y 6AC7 se usaban para funciones lógicas; numerosas válvulas 6L6 y 6V6 se usaron como guiadoras de impulsos entre los cables que conectaban cada rack del ENIAC.

Algunos expertos predijeron que las válvulas se estropearían con tal frecuencia que la máquina no sería útil, esta predicción llegó a ser parcialmente correcta: varias se fundían casi a diario, dejando ENIAC no operativa una ½hora; las válvulas para largas temporadas sin daño no estuvieron hasta 1948. La mayoría de fallos ocurrían en encendido o apagado, cuando los filamentos de las válvulas y sus cátodos estaban bajo estrés térmico; con la simple pero costosa acción de no apagarlo, redujeron los fallos a la  aceptable cifra de válvula cada 2 días; el período más largo sin fallo fue de 116 horas (cerca de 5 días) en 1954.

Hubo 6 mujeres que se preocuparon de programar la ENIAC, cuya historia ha sido silenciada y recuperada en las últimas décadas; clasificadas como “sub-profesionales”, por género o para reducir costos, se destacaron como hábiles matemáticas y lógicas, e inventaron la programación a medida que la realizaban. Betty Snyder Holberton, Jean Jennings Bartik, Kathleen Mcnulty Mauchly Antonelli, Marlyn Wescoff Meltzer, Ruth Lichterman Teiltebaum y Frances Bilas Spence dedicaron largas horas a ENIAC utilizada principalmente para cálculos  balísticos y ecuaciones diferenciales y contribuyeron a desarrollar la programación de computadoras; sentaron las bases para que la programación fuera sencilla y accesible, crearon el primer set de rutinas, las primeras aplicaciones de software y las primeras clases de programación; su trabajo modificó drásticamente la evolución de la programación entre las décadas del 40 y el 50. 


La TRADIC



Tradic (de los laboratorios Bell) debe sus siglas al nombre en inglés: TRAnsistor Digital Computer o TRansistorized Airborne Digital Computer, fue el primer ordenador de la 2ª generación de computadores; se terminó en 1954 y se fabricó entre 1958 y 1964. El equipo fue construido para la fuerza aérea de Estados Unidos por J.H.Felker de Bell Labs, el ingeniero principal del proyecto fue Brown L.C. (“Charlie Brown”); primero fue equipo para aerotransportados, una segunda aplicación fue en un sistema de radar de a bordo de pista-tiempo- exploración marina, luego para resolver problemas de navegación en aviones de bombardeo.
Estaba hecho de transistores (contracción de los términos Transfer Resistor) de memoria de núcleo de ferrita; documentos desclasificados de la CIA nombran a TRADIC como el primer computador transistorizado y operacional en 1954. TRADIC tenía entre 700 y 800 transistores y 10.000 diodos. Era capaz de ejecutar alrededor de un millón de operaciones lógicas por segundo; para ese momento no era tan rápida como la primera generación de computadoras (de tubo de vacío) pero se acercaba mucho; los datos para estos ordenadores eran suministrados por medio de cintas magnéticas y se utilizaban lenguajes simbólicos, tipo FORTRAN y COBOL. Lo mejor era que requería menos de 100 watts para funcionar lo cual era mucho más rentable; comienzan a utilizarse para tareas administrativas y admiten algo de trabajo en cadena.

A finales de los 50 el uso del transistor en los ordenadores marcó el advenimiento de elementos lógicos más pequeños, rápidos y versátiles de lo que permitían las máquinas con válvulas; como los transistores utilizan menos energía y tienen vida más larga, a su desarrollo se debió el nacimiento de máquinas perfeccionadas, que llamaron ordenadores o computadoras de 2ª generación; los componentes se hicieron pequeños, como los espacios, por lo que la fabricación resultaba más barata.

Circuitos integrados
Un circuito integrado (CI), conocido como chip o microchip, es una pastilla pequeña de material semiconductor, de milímetros cuadrados, sobre la que fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que se protege en un encapsulado plástico o cerámico; el encapsulado posee conductores metálicos para conexión entre la pastilla y un circuito impreso.
El primer circuito integrado fue desarrollado en 1959 por el ingeniero Jack Kilby  poco después de contratado por Texas Instrumens; se trataba de un dispositivo de germanio que integraba 6 transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase. En el año 2000  fue galardonado con el Nobel de Física por la gran contribución del invento al desarrollo tecnológico.
Al mismo tiempo, pero independientemente, Robert Noyce desarrolló su  circuito integrado, que patentó 6 meses después; además resolvió unos problemas que poseía el circuito de Kilby, como la interconexión de sus componentes; al simplificar la estructura del chip mediante la adición de metal en una capa final y la eliminación de algunas conexiones, el circuito integrado se hizo más adecuado para la producción en masa. Además de ser un pionero del circuito integrado, Robert Noyce también fue uno de los co-fundadores de Intel, uno de los mayores fabricantes  de circuitos integrados del mundo.
Los circuitos están en  los aparatos electrónicos modernos, como automóviles, televisores, reproductores de CD y MP3, teléfonos móviles, computadoras, etc.
El desarrollo de los circuitos integrados fue posible gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar algunas funciones de las válvulas de vacío; la integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeños chips fue un gran avance sobre el ensamblaje manual de los tubos de vacío (válvulas) y en fabricación de circuitos electrónicos con componentes discretos; la capacidad de producción masiva de circuitos integrados, su confiabilidad y facilidad de agregarles complejidad, llevó a su estandarización, reemplazando diseños por transistores, que pronto dejaron obsoletos a los tubos de vacío. Son 3 las ventajas más importantes sobre los circuitos electrónicos con componentes discretos: su menor costo, su mayor eficiencia energética y su reducido tamaño; el bajo costo se debe a que son fabricados siendo impresos como una  pieza por fotolitografía a partir de una oblea, generalmente de silicio, permitiendo  producción en cadena de grandes cantidades, con muy baja tasa de defectos; la elevada eficiencia se debe a que, por la miniaturización de sus componentes, el consumo de energía es mucho menor, a iguales condiciones de funcionamiento, que un homólogo fabricado con componentes discretos; finalmente, el más notable atributo, es su  tamaño en relación a los circuitos discretos, pues un CI puede contener desde miles hasta varios millones de transistores en pocos centímetros cuadrados.
 Informática, comunicaciones, manufactura y sistemas de transporte, incluyendo Internet, dependen de los circuitos integrados; así, muchos estudiosos piensan que la revolución digital causada por los CI es de los más significativos sucesos de la historia humana.
Fabricación= Es un proceso complejo en el que intervienen numerosas etapas.
El silicio, elemento abundante que existe natural como arena; puede ser refinado por técnicas bien establecidas de purificación y crecimiento de cristales. El silicio también exhibe propiedades físicas apropiadas para dispositivos activos con buenas características eléctricas, además de es fácil oxidar para formar  excelente aislante SiO2 (vidrio). Tal óxido nativo sirve para construir condensadores y MOSFET, también como barrera de protección contra la difusión de impurezas indeseables hacia el mineral adyacente de silicio de alta pureza; esta propiedad de protección de óxido de silicio permite que sus propiedades eléctricas sean fáciles de modificar en áreas predefinidas, por eso se pueden construir elementos activos y pasivos en la misma pieza material ( o sustrato); así los componentes pueden interconectarse con capas de metal (similares a las utilizadas en tarjetas de circuito impreso) para formar el llamado circuito integrado monolítico, que es en esencia una pieza única de metal.
Pasos generales de fabricación:
El material inicial para los circuitos integrados modernos es el silicio de muy alta pureza, donde adquiere forma de cilindro sólido, gris acero, de  10 a 30 cms de diámetro y 1 a 2m de longitud; este cristal se rebana para producir obleas circulares de 400um a 600um de espesor, después se alisa la pieza para darle acabado de espejo, con técnicas químicas y mecánicas; las propiedades eléctricas y mecánicas de la oblea dependen de la orientación de los planos cristalinos, concentración e impurezas existentes; para aumentar la resistividad eléctrica del semiconductor, se necesita alterar las propiedades eléctricas del silicio a partir del proceso conocido como dopaje. Una oblea de silicio tipo n excesivamente impurificado (baja resistividad) sería designado como material n+, mientras que una región levemente impurificada se designaría n-.
Oxidación:Se refiere al proceso químico de reacción del silicio con el oxígeno para formar dióxido de silicio (SiO2).
Difusión: Es el proceso por el que los átomos van de una región de alta concentración a una de baja a través del cristal semiconductor; en el proceso de manufactura la difusión es un método mediante el que se introducen átomos de impurezas en el silicio para cambiar su resistividad.
Implantación de iones: Otro método para introducir impurezas en el cristal semiconductor; un implantador de iones produce iones del contaminante deseado, los acelera mediante un campo eléctrico y les permite chocar contra la superficie del semiconductor.
Deposición por medio de vapor químico: Proceso por el que gases o vapores se hacen reaccionar químicamente, lo que conduce a la formación de sólidos en un sustrato; las propiedades de la capa de óxido que se deposita por tal medio no son tan buenas como las de una térmicamente formada, pero es suficiente para que actúe como aislante térmico.
Metalización: Su propósito es interconectar los diversos componentes (transistores, condensadores, etc) para formar el circuito integrado que se desea, implica la deposición inicial de un metal sobre la superficie del silicio.
Fotolitografía: Técnica que define geometría de superficie de los componentes de un circuito integrado; primero recubrir la oblea con capa fotosensible, llamada sustancia fotoendurecible con técnica llamada “de giro”; después utilizar placa fotográfica de patrones dibujados exponiendo selectivamente capa fotosensible a iluminación ultravioleta; áreas opuestas se ablandan y remueven con químico, y así producen, con precisión, gemetrías de superficie muy fina; la capa fotosensible se  utiliza para proteger por debajo los materiales contra el ataque químico en húmedo o contra el ataque químico de iones reactivos.
Empacado: La oblea de silicio contiene cientos de circuitos o chips listos, todos contienen de  10 a 108 o más transistores, área rectangular, común entre 1 y 10 mm por lado; se prueban los circuitos eléctricamente, se separan (rebanándolos) y los buenos (pastillas) se montan en cápsulas (soportes).  Normal utilizar alambres de oro para conectar terminales del paquete al patrón de metalización en la pastilla; por último, se sella el paquete con plástico o resina epóxica, al vacío o en atmósfera inerte.
Intel Corporation:
El mayor fabricante de circuitos integrados, según su cifra de negocio anual; la compañía es la creadora de la serie de procesadores x86, los más comúnmente encontrados en la mayoría de las computadoras personales. Intel se fundó el 18 de julio de 1968 como Integrated Electronic Corporation (aunque un error común es el que Intel viene de intelligence) por los pioneros en semiconductores Robert Noyce y Gordon Moore, asociados con la dirección ejecutiva y la visión de Andrew Grove.
Inicialmente quisieron  llamar a la compañía “Moore Noyce” pero sonaba mal (suena  More Noise, literal: Más ruido, que se asocia en electrónica con interferencias); utilizaron el nombre NM Electronics casi un año antes de Integrated Electronics, abreviado Intel, pero Intel estaba registrado por una cadena hotelera y les tocó pagar.
El 58% de ventas es fuera de Estados Unidos, domina el mercado de los microprocesadores; su principal competidor es Advanced Micro Devices (AMD), empresa con la que tuvo acuerdos de compartición de tecnología: cada socio  utilizaba las innovaciones patentadas por el otro sin costo, con lo que se han visto  en pleitos cruzados. El otro histórico competidor en el mercado x86, Cyrix, terminó integrado en VIA Technologies, que mantiene el VIA C3 en el mercado de los equipos de bajo consumo; pero el auge de equipos con procesadores con núcleo ARM, que amenazan devorar la parte móvil del mercado PC, se convierte en un rival más serio.
El 6 de junio de 2005 Intel llegó a acuerdo con Apple Computer, por el que proveerá procesadores, realizándose entre 2006 y 2007 la transición desde los tradicionales IBM; y en enero de 2006 presentaron al mercado las primeras computadoras Apple, una portátil y una de escritorio, con procesadores Intel Core Duo de doble núcleo.    
X86: Denominación genérica de ciertos microprocesadores de Intel, sus compatibles y arquitectura básica a que pertenecen, por la terminación de sus nombres numéricos; son desde su nacimiento estándar de ordenadores del tipo Compatible IBM PC. La comercial popularidad de tal arquitectura hizo que muchos empezaran a fabricar en masa microprocesadores basados en tal arquitectura; estas compañías son , entre otras, AMD, Cyrix, NEC Corporation y Transmeta. IBM adoptó al hermano mayor del 8086, se basó en él y lanzó la línea de computadoras más exitosa de la historia: el IBM PC (1981) y el IBM XT (1983); el éxito de esta serie fue tal que desde ese momento, todos los CPUs de Intel tuvieron estricta política de compatibilidad hacia atrás; en los 90 Intel fue responsable de muchas innovaciones del hardware de computadores personales aunque no siempre con visión de futuro acertada.
Generaciones de las computadoras
Hace 40 años el ingeniero Gordon Moore, observó una tendencia en  la microelectrónica que definió la estrategia de negocios en la industria de  semiconductores de 200.000 millones de dólares actuales; la observación (denominada Ley de Moore) anticipó que la complejidad de circuitos integrados se duplicaría cada año con gran reducción en costos. Esta observación permitió a una industria de semiconductores de reciente aparición crear el microprocesador (cerebro de la computadora) y muchos circuitos integrados que han dado lugar a computadores personales, Internet, teléfonos celulares y juegos de video.
“En Intel trabajamos para que la Ley de Moore continúe guiando nuestra industria en el futuro; hemos vizualizado 10 a 15 años de adelanto en nuestros laboratorios”, observó Craig Barrett, CEO de Intel Corporation. “Anticipamos no solo avances continuos en los sectores tradicionales de la computación y las comunicaciones, sino que vemos un futuro en el que la tecnología de los semiconductores revolucionará la industria de atención a la salud, la forma en que educamos a nuestros hijos, la forma de protegernos a nosotros mismos y al ambiente, y el manejo de la vida cotidiana en un mundo más complejo. Los chips de silicio (que el ritmo de la Ley de Moore hace cada vez más poderosos) continuarán ofreciendo estos recursos a personas de todo el mundo a un costo cada vez más bajo”


Bibliografía:
Wikipedia la enciclopedia libre (primera generación de computadoras, Mark1, ENIAC, TRADIC, circuitos integrados, Intel)
Google imágenes (imágenes)

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