Historia de las Computadoras
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. Universidad de Sonora
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K. Matsuzaki vs. Thomas I. Wood ábaco 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 Arquitectura de Computadoras 12Universidad dígitos. de Sonora
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¿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. Universidad de Sonora
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¿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.
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3000 A.C. El ábaco fue inventado en Babilonia
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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.
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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.
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cálculo
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Máquinas de calcular El 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.
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Pascal
(calculadora Arquitectura dePascalina Computadoras
de Pascal)
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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.
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Pero… • Ninguno de esos 3 diseños fue viable debido a la complejidad de los mecanismos.
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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... Universidad de Sonora
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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.
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tarjeta perforada
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El matemático inglés Charles Babbage (1792-1871) es conocido como el "Padre de la Computadora". 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.
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1834-35 - Babbage cambia su meta para el proyecto de la “Máquina Analítica” (Analytical Engine). 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. Universidad de Sonora
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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. 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. Universidad de Sonora
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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.
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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. Universidad de Sonora
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Computadoras electromecánicas 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.
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Relays electromecánicos
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Z-1
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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.
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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) Universidad de Sonora
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Válvula electrónica (bulbo)
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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. Universidad de Sonora
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Von Neumann El 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. Universidad de Sonora
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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.
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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 Universidad de Sonora
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Invención del transistor El 23 de diciembre de 1947, en los Bell Labs, John Bardeen, Walter Brattain, e William Shockley, desarrollaron el primer transistor;
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.
Diversos encapsulamientos de transistores Universidad de Sonora
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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. Microprocessador 4004 2300 transistores Universidad de Sonora
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Microprocesadores de la década de 1970 Microproces adores
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
Direccionami 640 bytes ento de memoria Memoria Virtual
-
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16 Kilobytes 64 Kilobytes 1 Megabyte
1 Megabyte
-
-
-
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-
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8008 (primero microprocesador de 8 bits) año 1972
3500 transistores 10 micrones
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8080 (microprocesador de 8 bits) 1974
6000 transistores 6 micrones
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8086 – microprocesador de 16 bits (1978)
29000 transistores 3 micrones
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Procesadores de la década de 1980 Microprocesador es/ 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
Número de transistores
134,000
275,000
275,000
1,200,000
Tecnología
1.5 micrones
1 micrón
1 micrón
0.8 -1 micrón
Direccionamiento 16 de memoria Megabytes
4 Gigabytes
4 Gigabytes
4 Gigabytes
Memoria Virtual
1 Gigabyte
64 Terabytes 64 Terabytes 64 Terabytes
Caché
-
-
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-
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8 Kilobytes 36
80286 (1982)
134,000 transistores 1.5 micrones
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80386 (1985) 275,000 transistores 1 micrón
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80486DX (1989) 1,200,000 transistores 0.8 – 1 micrón
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Procesadores de la década de 1990 Microprocesadores
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
Número de transistores
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
64 Gigabytes
64 Gigabytes
64 Gigabytes
Direccionam 4 Gigabytes iento de memoria Memoria Virtual
64 Gigabytes
64 Terabytes
64 Terabytes
64 Terabytes
64 Terabytes
Caché
8Kbytes
Instrucción 8K Dato - 8K
Instrucción 8K Dato – 8 K L2 – 256 K
Instrucción 16K Dato- 16 K L2 – 512 K
Instrucción 16K Dato–16 K L2 – 512 K
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Nota: L2 caché de segundo nivel Arquitectura de Computadoras
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Pentium (1993) 3,100,000 transistores
0.8 micrón
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Pentium II (1995) 7,500,000 transistores 0.6 micrón
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Pentium III (1999) 21,000,000 transistores 0.18 micrón Universidad de Sonora
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35,000,000 transistores 0.18 micrón
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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
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Ley de Moore (aplicada a partir de 1900)
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Cada 2 años se dobla la cantidad de transistores en las CPUs (Ley de Moore)
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Evolución del costo de memoria
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Capacidad de Memoria (DRAM de chip único) size
1000000000
100000000
10000000
1000000
100000
10000
1000 1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
ano 1980 1983 1986 1989 1992 1996 2000
tamaño 64K 256K 1M 4M 16M 64M 256M
tiempo 250 ns 220 ns 190 ns 165 ns 145 ns 120 ns 100 ns
Year
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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
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Interconexiones dentro de un chip
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SOC (System on Chip)
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System on Chip
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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.
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Conclusiones • Tendencia hacia el sistema en el chip. • Tendencia hacia sistemas empotrados. • Demanda creciente de memoria y velocidad de procesamiento.
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