Evoluzione degli Elaboratori (1) Parte I. Evoluzione dei Sistemi di Elaborazione. Evoluzione degli Elaboratori. I primordi ( )

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1 Evoluzione degli Elaboratori (1) Parte I Evoluzione dei Sistemi di Elaborazione I.1 I.2 Evoluzione degli Elaboratori I primordi ( ) Pascal ( ) Pascaline: addizioni e sottrazioni Leibniz ( ) Anche moltiplicazioni e divisioni E poi l evoluzione degli ultimi 15 anni (smartphone, tablet, etc.) che tutti ben conosciamo Un accelerazione incredibile negli ultimi 60 anni Charles Babbage ( ) Macchina Analitica Prima macchina programmabile Primo programmatore,una signora: Ada Byron Lovelace (figlia di Lord Byron) Memoria: 1000 x 50 cifre decimali Limite: tecnologia meccanica I.3 I.4

2 Poteva succedere.. Nel 1835 Camillo Cavour incontra Babbage a Londra, sente parlare della macchina analitica che lo colpisce (Cavour era ingegnere) Nel 1840 Charles Babbage è invitato e partecipa al primo Congresso degli scienziati italiani a Torino Babbage tiene una serie di Seminari a Torino e regala i disegni della sua macchina all Accademia delle Scienze Nel 1842 Luigi Menabrea pubblica (in francese) la descrizione dell architettura della macchina di Babbage Solo successivamente il lavoro di Menabrea è tradotto in inglese da Ada Byron Lovelace (detta da Babbage the Enchantress of numbers) Il Piemonte pensa a finanziare la costruzione dell analytical engine Poi, come al solito, non se ne fece nulla Così Moncalieri è rimasto Moncalieri e non è diventato Cupertino L Analytical Engine Engine Mill (CPU) Programma a schede perforate I.5 I.6 La dedica delle memorie di Babbage La 2 a guerra mondiale ( ) Tecnologia elettromeccanica (relè) Konrad Zuse (~1930 Germania) Macchina a relè (distrutta nella guerra) John Atanasoff (~1940 USA) Aritmetica binaria Memoria a condensatori Howard Aiken (~1940 USA) MARK 1: versione a relè della macchina di Babbage Memoria: 72 x 23 cifre decimali tempo di ciclo: 6 sec. I/O su nastro perforato I.7 I.8

3 La 2 a guerra mondiale (continua) La svolta: la macchina di Von Neumann Tecnologia a tubi termoionici (valvole) COLOSSUS (~1940 GB) Gruppo di Alan Turing Decifrazione del codice Enigma Secretato dopo la fine della guerra ENIAC (~1946 USA) valvole 30 tonnellate di peso 140kw assorbimento Programmabile tramite 6000 interruttori e pannelli cablati 20 registri da 10 cifre IAS (~ 1950, Princeton USA) Programma memorizzato Aritmetica binaria Memoria: 4096 x 40 bit Formato istruzioni a 20 bit: OPCODE INDIRIZZO 8 12 I.9 I.10 John von Neumann Alan Turing È l altro grande padre fondatore dell informatica Matematico brillante, educato a Cambridge e con grossi problemi caratteriali (immortalato nel recente film The Imitation game) Ha inventato la macchina di Turing, un automa universale che può eseguire qualsiasi procedura algoritmica Ci ha dimostrato che ci sono problemi indecidibili, per cui non potrà mai essere trovata soluzione algoritmica che termini in tempo finito Ha svolto un ruolo fondamentale nella decifrazione del codice Enigma Era una sorta di genio leonardesco: grande calcolatore mentale, leggeva un libro, capiva subito tutto, e lo ricordava pagina per pagina Ha dato contributi a molteplici settori di matematica e fisica Era anche un buon ingegnere: concepiva cose che potevano funzionare È lo scienziato pazzo immortalato da Peter Sellers nel film cult di Stanley Kubrick Il dottor Stranamore (1964) I.11 Nel 1953 fu condannato per gross indecency (castrazione chimica) Morì nel 1954 addentando una mela intrisa di cianuro: suicidio o vendetta dei nazisti? (Comunque aveva visto il film Biancaneve!) Ha ottenuto nel 2013 il perdono reale, un po tardivo e alla memoria... Galileo però aveva dovuto aspettare 400 anni. I.12

4 Primi sistemi commerciali (a valvole) Mercato limitato a pochi grandi clienti Inizialmente dominato da UNIVAC IBM entra nel mercato nel 1953, e assume una posizione dominante che manterrà fino agli anni 80 Le capacità di queste macchine ci fanno sorridere: IBM 701 (1953): Memoria: 2k word di 36 bit (circa 8 KB!!!) 2 istruzioni per word IBM 704 (1956): Memoria: 4k word di 36 bit Istruzioni a 36 bit Floating-point hardware Arrivano i semiconduttori ( ) Tecnologia a transistor Due diverse tipologie di computer Mainframe: grossi calcolatori usati per applicazioni scientifiche, militari e nella pubblica amministrazione IBM 7090 Memoria 32k word a 36 bit, tempo di ciclo 2 sec Pochi esemplari, costano milioni di $ Piccoli sistemi: per medie aziende o di appoggio ai mainframe IBM 1401 Stessa capacità di I/O del 7090 Memoria 4k word 8bit (1byte) Sistema orientato alla manipolazione di caratteri I.13 I.14 Piccolo è bello: il minicomputer Mostri fuori concorso: i supercomputer Macchine molto potenti dedicate al number crunching 10 volte più veloci dei mainframe Architettura molto sofisticata Parallelismo all interno della CPU DEC PDP-8 (1965) Interconnessione a bus, molto flessibile Architettura incentrata sull I/O Possibilità di connettere qualsiasi periferica Molto meno costoso dei mainframe (1/100) Prodotto in oltre esemplari Nicchia di mercato molto specifica (vero anche oggi) Tipico rappresentante: CDC 6600 (1964) Progettista del CDC 6600 è Seymour Cray, poi fondatore della CRAY, anche oggi leader di mercato I.15 I.16

5 Integrazione su larga scala ( ) L animale domestico: il PC (1980) Dal transistor al circuito integrato Evoluzione dell architettura HW: Microprogrammazione Unità veloci floating-point Processori ausiliari dedicati alla gestione dell I/O Evoluzione dei Sistemi Operativi Virtualizzazione delle risorse Multitasking: esecuzione concorrente di più programmi Memoria Virtuale: rimuove le limitazioni dovute alle dimensioni della memoria fisica Diretto discendente del minicomputer: Architettura a bus Parole e istruzioni a 16 bit Interfaccia grafica (GUI, Graphical User Interface) Nasce nel 1980 all IBM (che dà così avvio alla propria decadenza) Esplosione del mercato dei cloni Crollo dei costi ed enorme espansione dell utenza L espansione del PC è trainata da tre fattori: Aumento della capacità della CPU Discesa dei costi della memoria Discesa dei costi dei dischi I.17 I.18 Mobile è bello: palmari, tablet etc. Evoluzione verso dispositivi portatili e molto piccoli PDA (Personal Digital Assistent) cioè computer palmari Smart phone: fusione di PDA e cellulare Tablet: computer senza tastiera, con interazione tattile Sistemi operativi ad hoc: Android, ios, Windows Phone Sistemi embedded Funzionalità intelligenti aggiunte a elettrodomestici e dispositivi di vario tipo Il software nasce (e muore) col dispositivo, è caricato nel firmware su memoria flash ed è spesso aggiornabile La nuova frontiera: il cloud computing L idea è di fornire la potenza di calcolo come servizio Ci si era pensato negli anni 60, ma i tempi non erano maturi Oggi è fattibile per via della connettività Internet (cloud) Enormi server farm esistono (in luoghi spesso tenuti segreti) Risorse di calcolo: tempo di CPU e memoria Memoria di massa: sterminate disk farm Schemi di memorizzazione ridondanti L utente sottoscrive contratti di servizio Rinuncia a sapere dove i suoi dati sono conservati e dove le sue elaborazioni saranno effettuate Vantaggi: Abbattimento di investimenti e costi di gestione Crescita dinamica: meno cruciale la pianificazione I.19 I.20

6 La legge di Moore (1965) Legge di Moore per le CPU Il numero di transistor per chip raddoppia ogni 18 mesi Circa un aumento del 60% all anno Conseguenze: Aumento della capacità dei chip di memoria Aumento della capacità delle CPU Più transistor in una CPU significano: Eseguire direttamente istruzioni più complesse Maggiore memoria sul chip (cache) Maggiore parallelismo interno Altro fattore decisivo è la frequenza di funzionamento I.21 I.22 Legge di Nathan (1997) Tipologie di computer Il software è un gas: riempie sempre completamente qualsiasi contenitore in cui lo si metta Tipo Prezzo Applicazione (ma sicuramente non è un gas perfetto!) Le dimensioni del software sono sempre cresciute col calare dei costi e con l aumentare della memoria disponibile Il Circolo Virtuoso Costi più bassi e prodotti migliori Aumento dei volumi di mercato Fattori di scala nella produzione Costi più bassi... Computer usa e getta Cartoline d'auguri, pupazzetti Microcontroller 1 10 Orologi, elettrodomestici, automobili Game computer Console per videogiochi Personal computer Desktop e laptop computer PDA e Tablet Smartphone e dispositivi ad alta portabilità Server Server di rete e di applicazione Mainframe 1 M 5 M Grandi applicazioni legacy I.23 I.24

7 Tipologie di computer: PC e server Tipologie di computer: PDA Personal Computer Sappiamo tutti chi è Microprocessore a 32/64 bit Memoria di 2-16 GByte Capacità dei dischi dell ordine dei TByte (10 12 Byte) Per il 95% basato sulla piattaforma Intel Server Su rete locale o Web server Memorie di decine di GByte Capacità dei dischi dell ordine di decine di TByte Gestione di rete efficiente Ormai integrati in telefoni mobili (smartphone) Sempre con me! Configurazione hardware CPU specializzate e molto evolute Display fino a 960 x 640 (retina display iphone5) Memoria di massa allo stato solido Fotocamera/telecamera Connettività WiFi e 3G (4G) Interfaccia tattile Applicazioni principali Gestione agenda e rubrica Navigazione Internet e posta elettronica Fruizione multimediale I.25 I.26 Tipologie di computer: Tablet Playstation Evoluzione del laptop comparsa nei primi anni 2000 ma il mercato non era maturo L idea: per molte cose la tastiera non serve Rilanciato clamorosamente dall ipad nel 2010 Interfacce tattili con tastiere virtuali Configurazione tipo PDA potenziato Connettività basata su WiFi e GSM (aspettando WiMax..) Applicazioni tipiche: Gestione e navigazione web Accesso ai media: giornali, TV Lettura documenti (integra e-book reader) Ha modificato il paradigma d interazione uomo-macchina Computer dedicati con elevate capacità di elaborazione grafica Playstation 4 di Sony (2013) CPU 8-core a 64 bit e 6 processori ausiliari (SPE) a 128 bit GPU (processore grafico) con 18 unità per 1.84 Tflops 8 GB di memoria GDDR5 + 2 GB MB di memoria video Grafica ad alte prestazioni e chip audio dedicato Hard disk fino a 500 GB Dischi ottici blue-ray Controllori sofisticati con rilevazione di movimento Si tratta di sistemi chiusi Poco espandibili Ottimizzate per un particolare tipo di applicazioni I.27 I.28

8 Microcontrollori: nascosti e onnipresenti Piccoli computer integrati nei dispositivi Elettrodomestici Dispositivi per la comunicazione: telefoni, fax, cellulari Dispositivi multimediali: fotocamere, televisori etc. Armi: missili, siluri Giochi sofisticati In un auto moderna sono presenti tipicamente una cinquantina di microcontrollori (ABS, iniezione, radio, GPS,..) Sono sistemi con architettura completa Versioni a 4, 8, 16 e 32 bit (ora anche a 64 bit) Scelte architetturali basate sui costi Un microcontrollore a 8 bit costa circa 10 centesimi Computer usa e getta Dispositivi del costo di pochi centesimi, da inserire in biglietti di auguri etc. Dispositivi RFID (Radio Frequency Identification) Costano pochi centesimi Emettono un codice di identificazione a 128 bit Si caricano grazie ad un segnale entrante Sostituiscono etichette con codice a barre Applicazioni tipo Telepass Gestione dei bagagli Inseriti anche nel bestiame, e nei cani e gatti Si pensa di inserirli anche nelle banconote I.29 I.30 Tipologie di Computer: mainframe La famiglia Intel Diretti discendenti della serie IBM/360 Gestione efficiente dell I/O Periferie di dischi di Petabyte (10 15 byte) Centinaia di terminali connessi Costi di molti milioni di Euro Perché sopravvivono? Gestiscono applicazioni legacy Costi di migrazione delle applicazioni molto superiori a quelli dell hardware I.31 I.32

9 Perché Intel ha monopolizzato il mercato? Intel oggi detiene ben oltre il 90% del mercato desktop, laptop e server Persino Apple, dopo feroce resistenza, si è arresa Una delle carte vincenti è stata la compatibilità all indietro: Significa che tutti i membri della famiglia sono in grado di eseguire in modo nativo il codice dei loro predecessori Ciò è vero partire dal 8088 (anno 1979) Ad esempio il Core i7 a 64 bit esegue in modo nativo anche il codice a 32 bit del Pentium e quello a 16 bit del 8088 Ciò ha garantito nel corso degli anni la portabilità del software, e quindi l assenza di brusche discontinuità Una proposta che non si poteva rifiutare. L architettura ARM Advanced RISC Machine) Sviluppato da ARM Holding (Cambridge, UK) IP core business: vendono IP (Intellectual Property) Architettura RISC a 32 bit (64 nell'ultima versione) a basso consumo Chip costruiti su licenza: Apple, Samsung, AMD, Nvidia, Sony.. Spesso usata come componente in SoC (System on a Chip) 8-10 miliardi di pezzi prodotti all'anno. Presente in: 95% degli smartphone e tablet (iphone, ipod, ipad, Galaxy...) 90% dei controllori di hard disk 40% dei televisori digitali 15% dei microcontrollori, router, switch 20% degli altri dispositivi mobili (navigatori GPS, fotocamere...) I.33 I.34