Computación Digital
El término digital fue sugerido por primera vez por George Robert Stibitz y se refiere a donde una señal, como un voltaje, no se usa para representar directamente un valor (como lo sería en una computadora analógica), sino para codificarlo. En noviembre de 1937, George Stibitz, que entonces trabajaba en Bell Labs (1930-1941), completó una calculadora basada en relés que más tarde denominó «Modelo K» (por «mesa o kitchen», en la que la había ensamblado), que se convirtió en el primer sumador binario. Por lo general, las señales tienen dos estados: bajo (generalmente representa 0) y alto (generalmente representa 1), pero a veces lógica de tres valores. Se utiliza, especialmente en la memoria de alta densidad. Las computadoras modernas generalmente usan lógica binaria, pero muchas de las primeras máquinas eran computadoras decimales. En estas máquinas, la unidad básica de datos era el dígito decimal, codificado en uno de varios esquemas, incluido el decimal codificado en binario o BCD, el código bi-quinario , el exceso de 3 y el código dos de cinco.
La base matemática de la computación digital es el álgebra booleana, desarrollada por el matemático británico George Boole en su trabajo The Laws of Thought, publicado en 1854. Su álgebra booleana fue refinada en la década de 1860 por William Jevons y Charles Sanders Peirce, y fue presentada por primera vez sistemáticamente por Ernst Schröder y AN Whitehead. En 1879 Gottlob Frege desarrolla el enfoque formal de la lógica y propone el primer lenguaje lógico para ecuaciones lógicas.
En la década de 1930 y trabajando de forma independiente, el ingeniero electrónico estadounidense Claude Shannon y el lógico soviético Victor Shestakov mostraron una correspondencia uno a uno entre los conceptos de lógica booleana y ciertos circuitos eléctricos, ahora llamados puertas lógicas, que ahora son omnipresentes en las computadoras digitales. Demostraron que los relés e interruptores electrónicos pueden realizar las expresiones del álgebra de Boole. Esta tesis fundamentó esencialmente un circuito digital práctico en diseño. Además, el artículo de Shannon proporciona un diagrama de circuito correcto para un sumador binario digital de 4 bits.
Procesamiento de datos electrónicos
Los elementos de circuito puramente electrónicos pronto reemplazaron a sus equivalentes mecánicos y electromecánicos, al mismo tiempo que el cálculo digital reemplazó al analógico. Máquinas como la Z3, la computadora Atanasoff-Berry, las computadoras Colossus y la ENIAC se construyeron a mano, utilizando circuitos que contienen relés o válvulas (tubos de vacío), y a menudo se utilizan tarjetas perforadas o cinta de papel perforada para la entrada y como principal medio de almacenamiento (no volátil).
El ingeniero Tommy Flowers se incorporó a la rama de telecomunicaciones de la Oficina General de Correos en 1926. Mientras trabajaba en la estación de investigación de Dollis Hill en la década de 1930, comenzó a explorar el posible uso de la electrónica para la central telefónica. El equipo experimental que construyó en 1934 entró en funcionamiento 5 años después, convirtiendo una parte de la red de central telefónica en un sistema electrónico de procesamiento de datos, utilizando miles de tubos de vacío.
En los Estados Unidos, en 1940 Arthur Dickinson (IBM) inventó la primera computadora electrónica digital. Este dispositivo de cálculo era completamente electrónico: control, cálculos y salida (la primera pantalla electrónica). John Vincent Atanasoff y Clifford E. Berry de la Universidad Estatal de Iowa desarrollaron la Computadora Atanasoff-Berry (ABC) en 1942, el primer dispositivo de cálculo digital electrónico binario. Este diseño era semi-electrónico (control electromecánico y cálculos electrónicos) y utilizaba alrededor de 300 tubos de vacío, con condensadores fijados en un tambor giratorio mecánicamente para la memoria. Sin embargo, su escritor / lector de tarjetas de papel no era confiable y el sistema de contacto del tambor regenerativo era mecánico. La naturaleza de propósito especial de la máquina y la falta de programa almacenado cambiante la distingue de las computadoras modernas.
Las computadoras cuya lógica se construyó principalmente con tubos de vacío ahora se conocen como computadoras de primera generación.
Computadoras electrónicas programables
Durante la Segunda Guerra Mundial, los descifradores de códigos británicos en Bletchley Par , a 40 millas (64 km) al norte de Londres, lograron varios éxitos al romper las comunicaciones militares cifradas del enemigo. La máquina de cifrado alemana, Enigma, fue atacada por primera vez con la ayuda de bombas electromecánicas. Las mujeres a menudo operaban estas máquinas. Descartaron posibles configuraciones de Enigma al realizar cadenas de deducciones lógicas implementadas eléctricamente. La mayoría de las posibilidades conducían a una contradicción y las pocas que quedaban podían probarse a mano.
Los alemanes también desarrollaron una serie de sistemas de cifrado de teleimpresores, bastante diferentes de Enigma. La máquina Lorenz SZ 40/42 se utilizó para comunicaciones del Ejército de alto nivel, cuyo nombre en código era «Tunny» por los británicos. Las primeras intercepciones de los mensajes de Lorenz comenzaron en 1941. Como parte de un ataque a Tunny, Max Newman y sus colegas desarrollaron Heath Robinson, una máquina de función fija para ayudar a descifrar el código. Alan Turing recomendó a Max Newman, Tommy Flowers, un ingeniero senior de la Estación de Investigación de la Oficina Postal y pasó once meses desde principios de febrero de 1943 diseñando y construyendo la computadora Colossus más flexible (que reemplazó al Heath Robinson). Después de una prueba funcional en diciembre de 1943, Colossus fue enviado a Bletchley Park, donde fue entregado el 18 de enero de 1944 y atacó su primer mensaje el 5 de febrero.
Colossus fue la primera computadora programable digital electrónica del mundo. Utilizaba una gran cantidad de válvulas (tubos de vacío). Tenía entrada de cinta de papel y podía configurarse para realizar una variedad de operaciones lógicas booleanas en sus datos, pero no era Turing completo . La entrada de datos a Colossus fue por fotoeléctrica. lectura de una transcripción en cinta de papel del mensaje cifrado interceptado. Esto se organizó en un bucle continuo para que pudiera leerse y releerse varias veces, no existiendo un almacenamiento interno para los datos. El mecanismo de lectura funcionaba a 5.000 caracteres por segundo con la cinta de papel moviéndose a 40 pies / s (12,2 m / s; 27,3 mph). Colossus Mark 1 contenía 1500 válvulas termoiónicas (tubos), pero Mark 2 con 2400 válvulas y cinco procesadores en paralelo, era 5 veces más rápido y más simple de operar que Mark 1, acelerando enormemente el proceso de decodificación. Mark 2 fue diseñado mientras se construía Mark 1. Allen Coombs asumió el liderazgo del proyecto Colossus Mark 2 cuando Tommy Flowers pasó a otros proyectos. La versión Mark II del Colossus entró en funcionamiento el 1 de junio de 1944, justo a tiempo para la Invasión de Normandía en el Día-D .
La mayor parte del uso de Colossus fue para determinar las posiciones de inicio de los rotores Tunny para un mensaje, que se llamó «ajuste de la rueda». Colossus incluyó el primer uso de registros de desplazamiento y matrices sistólicas, lo que permitió cinco pruebas simultáneas, cada una con hasta 100 cálculos booleanos . Esto permitió examinar cinco posibles posiciones iniciales diferentes para un tránsito de la cinta de papel. Además del ajuste de las ruedas, algunos Colossus posteriores incluyeron mecanismos destinados a ayudar a determinar los patrones de los pines conocidos como «rotura de ruedas». Ambos modelos eran programables mediante interruptores y paneles de enchufes de una forma que no habían sido sus predecesores. Diez Colossus Mk 2 estaban operativos al final de la guerra.
Sin el uso de estas máquinas, los aliados habrían sido privados de la muy valiosa de inteligencia que se obtiene a partir de la lectura de la gran cantidad de cifrado de alto nivel telegráficos mensajes entre el alto mando alemán (OKW) y sus ejército comandos en toda la Europa ocupada. Los detalles de su existencia, diseño y uso se mantuvieron en secreto hasta bien entrada la década de 1970. Winston Churchill emitió personalmente una orden para su destrucción en pedazos no más grandes que la mano de un hombre, para mantener en secreto que los británicos eran capaces de descifrar los cifrados de Lorenz SZ. (de máquinas de cifrado de flujo de rotor alemanas) durante la Guerra Fría que se avecina. Dos de las máquinas fueron transferidas al recién formado GCHQ y las otras fueron destruidas. Como resultado, las máquinas no se incluyeron en muchas historias de la informática. Una copia de trabajo reconstruida de una de las máquinas Colossus está ahora en exhibición en Bletchley Park.
El ENIAC (integrador numérico electrónico y computadora) construido en EE. UU. Fue la primera computadora electrónica programable construida en los EE. UU. Aunque el ENIAC era similar al Colossus, era mucho más rápido y flexible. Sin duda alguna, era un dispositivo completo de Turing y podía calcular cualquier problema que pudiera caber en su memoria. Como el Colossus, un «programa» en el ENIAC fue definido por los estados de sus cables de conexión e interruptores, muy lejos de las máquinas electrónicas de programas almacenados que vinieron más tarde. Una vez que se escribió un programa, se tuvo que configurar mecánicamente en la máquina con restablecimiento manual de enchufes e interruptores. Las programadoras de la ENIAC eran mujeres que se habían formado como matemáticas.
Combinó la alta velocidad de la electrónica con la capacidad de ser programado para muchos problemas complejos. Podría sumar o restar 5000 veces por segundo, mil veces más rápido que cualquier otra máquina. También tenía módulos para multiplicar, dividir y raíz cuadrada. La memoria de alta velocidad estaba limitada a 20 palabras (equivalente a unos 80 bytes). Construido bajo la dirección de John Mauchly y J. Presper Eckert en la Universidad de Pennsylvania, el desarrollo y la construcción de ENIAC duró desde 1943 hasta su pleno funcionamiento a finales de 1945. La máquina era enorme, pesaba 30 toneladas, utilizaba 200 kilovatios de energía eléctrica y contenía más de 18.000 tubos de vacío, 1.500 relés y cientos de miles de resistencias, condensadores e inductores. Una de sus mayores hazañas de ingeniería fue minimizar los efectos del desgaste de los tubos, que era un problema común en la confiabilidad de las máquinas en ese momento. La máquina estuvo en uso casi constante durante los siguientes diez años.