Storia del calcolo automatico 1

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1 L elaboratore 01.a Un po di storia Storia del calcolo automatico 1 Legata allo sviluppo della tecnologia: Generazione -1: La preistoria????-1642 Generazione 0: Meccanica Generazione 1: Elettromeccanica Generazione 2: Valvole termoioniche Generazione 3: Transistors Generazione 4: Circuiti integrati Generazione 5: VLSI 1980-????

2 Generazione -1: preistoria ( -1642)( Oggetti usati come strumenti di calcolo (es: conchiglie per rappresentare pecore) 2 = stessa cardinalità = rappresentano lo stesso numero Generazione -1: preistoria ( -1642)( operazioni aritmetiche come procedure manuali : 3 A B B rappresentazione del numero 2 rappresentazione del numero 1 rappresentazione del numero 3 Procedura: sposta il contenuto del sacco A nel sacco B Risultato: il sacco B contiene ora la rappresentazione di Nome della procedura manuale : addizione di numeri interi

3 Generazione -1: preistoria ( -1642)( Osservazioni: manipolando conchiglie, si possono manipolare numeri e fare calcoli (addizioni, sottrazioni ) 4 procedure semplici, soggette ad errore, lente Generazione -1: preistoria ( -1642)( Meccanismo più sofisticato: l abaco (2700 ac) usa il concetto di notazione posizionale. Valore delle cifre 5 Peso di ciascuna cifra (potenze di 10)

4 Generazione -1: preistoria ( -1642)( Solo più tardi il far di conto diventa un processo astratto che utilizza numeri rappresentati in forma scritta da simboli (cifre). Le procedure per eseguire le operazioni aritmetiche sono eseguite su papiro = 101 Si possono fare operazioni più complesse. Procedure ancora manuali, ma più veloci. Ancora soggette ad errore meno che con le conchiglie! 6 Generazione -1: preistoria ( -1642)( 7 Nel IX secolo: Muhammad ibn Musa Al-Khwārizmī sviluppa il concetto di definizione scritta di un procedimento da seguire per ottenere un risultato XIII secolo, traduzione latina: algoritmo

5 Generazione -1: preistoria ( -1642)( Per secoli il problema principale era stato: come riuscire ad eseguire 8 Un dato algoritmo In modo non-manuale (automatico) Possibilmente più velocemente che a mano Possibilmente più affidabile (senza errori) Generazione -1: preistoria ( -1642)( Codex Madrid - Leonardo Da Vinci (~1500) scoperto per caso a Madrid nel 1967 progetto di un calcolatore meccanico...? 9

6 Generazione -1: preistoria ( -1642)( Codex Madrid - Leonardo Da Vinci (~1500) Guatelli (New York) lo costruì nel Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) Blaise Pascal, figlio di un esattore delle tasse, costruì a 19 anni una macchina addizionatrice con riporto automatico. Le cifre degli operandi venivano inserite nelle ruote inferiori, la somma eseguita dagli ingranaggi interni, le cifre del risultato apparivano nelle finestre superiori 11

7 Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) Joseph-Marie Jacquard inventò nel 1801 un telaio automatico con trama e ordito controllati da schede perforate 12 Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) 13 La macchina di Jacquard (1801) operava secondo uno schema prefissato. L output era funzione del programma scritto nelle schede perforate Primo esempio di un software (istruzioni su schede perforate) Nessuno raccolse questa invenzione geniale di Jacquard (considerata una minaccia alla occupazione nell industria tessile)

8 Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) 14 Charles Babbage nel 1822 ottenne dal governo britannico un finanziamento per costruire una macchina (difference engine) intesa a calcolare rapidamente e senza errori le tavole numeriche usate per la navigazione. Primo esempio di finanziamento della ricerca in Computer Science. Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) 15

9 Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) 16 Il Difference Engine progettato da Babbage doveva calcolare e stampare tavole di valori di polinomi fino al sesto grado, con la precisione di 20 cifre decimali Oggi si chiamerebbe: application specific hard-coded machine Nonostante il finanzimento Babbage non riuscì a costruire il Difference Engine: dopo 10 anni, nel 1832, abbandonò il progetto e ne intraprese un altro (Analitical Engine) Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) Nel 1853 (più di 20 anni dopo) lo svedese Georg Scheutz, costruì una versione limitata del Difference Engine di Babbage 17

10 Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) Nel , fu costruita una versione completa del Difference Engine, sulla base del progetto originale di Babbage 18 Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) L Analytical Engine (il nuovo progetto di Babbage) è il primo vero computer della storia: Un dispositivo programmabile con la struttura dei computer moderni: Organi di Input (schede perforate) per dati e istruzioni Organi di Output (ruote predisposte per stampare) Organi di Memoria (the Store), posizione delle ruote dentate (1000 colonne di 50 ruote: ~200Kbit) Una unità aritmetica (the Mill), Un modulo di controllo, per stabilire la sequenza delle operazioni. Nonostante le energie (e il denaro) speso, Babbage non riuscì a costruire nemmeno la Analitical Engine: come per Leonardo, la tecnologia non era ancora matura. 19

11 Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) Nel 1842, la contessa Ada Lovelace, scrisse il primo programma per la Analytical Engine di Babbage. 20 Può essere considerata la prima programmatrice della storia. Generazione 0: Meccanica ( ) 1935) Nel 1890 Herman Hollerith vinse la gara per la fornitura delle apparecchiature di calcolo necessarie al governo americano per elaborare i dati del censimento 21 Nel 1914, la società da lui fondata, Hollerith Tabulating Company, insieme ad altre due, costituì la Calculating-Tabulating-Recording (C-T-R) che, nel 1924, prese il nome di IBM.

12 Generazione 1: Elettrom. ( ) 1945) nel 1935 Konrad Zuse (Berlino) costruì nel salotto dei genitori lo Z-1. Era basato su relè e utilizzava l aritmetica binaria. Tempo di esecuzione delle istruzioni: 6 s ~ 0.17 Hz). 22 Teoria della computabilità 1936: Alan M. Turing getta le basi della teoria della computabilità. La teoria è basata sulla macchina di Turing, una macchina molto semplice ma universale, cioè in grado di calcolare qualsiasi funzione computabile. 23 Il problema ingegneristico di produrre macchine diverse per svolgere compiti diversi è sostituito dal lavoro di programmare la macchina universale per i vari compiti.

13 Generazione 1: Elettrom. ( ) 1945) Fine degli anni 30: Howard Aiken costruì lo Harvard Mark I (IBM Automatic Sequence Control Calculator o ASCC) il primo calcolatore elettromeccanico general purpose messo in commercio. Le istruzioni venivano lette da banda perforata, come previsto nell Analytical Engine di Babbage. 24 Generazione 1: Elettromeccanica ( ) 1945) 25 Nell Harvard MARK I Grace M. Hopper trovò il primo bug (scarafaggio) ucciso tra le ganasce di un relay. L insetto fu da lei incollato nel logbook del computer e da allora, ad ogni guasto della macchina, era solita dire ad Howard Aiken che dovevano "debug the computer

14 Generazione 2: Valvole ( ) 1955) John Atanasoff and Clifford Berry costruirono, tra il 1939 e il 1942, il primo elaboratore digitale elettronico alla università dello Iowa. The ABC conteneva molte innovazioni tra cui l aritmetica binaria, l elaborazione parallela, le memorie dinamiche e la separazione tra la memoria e le funzioni di calcolo. ABC - Il primo elaboratore elettronico 26 Generazione 2: Valvole ( ) 1955) "It was at an evening of scotch and 100 mph car rides, when the concept came, for an electronically operated machine, that would use base-two (binary) numbers instead of the traditional base-10 numbers, condensers for memory, and a regenerative process to preclude loss of memory from electrical failure. John Atanasoff scrisse la maggior parte dei concetti del primo elaboratore moderno sul retro di un tovagliolino da cocktail. Il prototipo funzionante non fu mai brevettato per l inizio della II Guerra mondiale. Eckert and Mauchly furono i primi a brevettare un elaboratore digitale, l ENIAC. 27

15 Generazione 2: Valvole ( ) 1955) 28 Nel 1943 iniziò il progetto per costruire ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) Mauchly ( ) e Eckert ( ) Generazione 2: Valvole ( ) 1955) ENIAC valvole, relay, 30 tonnellate, 140 kw, 20 registri da 10 cifre decimali. Programmi cablati (6 000 interruttori, tonnellate di fili). Soggetto a guasti: negli ultimi 6 anni, in media 100 ore/sett. di operatività: availability = 60% 29

16 Generazione 2: Valvole ( ) 1955) Nel 1945, John von Neumann progettò un stored program computer : il programma non è più definito da interruttori e cavi o da schede perforate, ma si trova in memoria (la stessa che contiene i dati). L architettura di von Neumann prevede: - un modulo di controllo, - un modulo ALU con accumulatore, - una memoria per contenere programmi e dati, - l uso dell aritmetica binaria al posto di quella decimale. I computer odierni sono ancora basati sull architettura di von Neumann (in realtà deriva da Babbage). Questa architettura presenta il cosiddetto (Backus, 1977) von Neumann bottleneck tra la memoria e le unità di controllo e calcolo; tutte le nuove architetture cercano di rimuovere questo collo di bottiglia. 30 Generazione 2: Valvole ( ) 1955) John von Neumann nel 1952 con il suo EDVAC ( Electronic Discrete Variable Automatic Computer ) 31

17 Generazione 2: Valvole ( ) 1955) Altre macchine: Manchester Mark I, il primo stored program computer ad essere operativo (nel 1948) all Università di Manchester. 32 Generazione 2: Valvole ( ) 1955) Altre macchine: nel 19, il Whirlwind computer (MIT) fu il primo ad impiegare memorie magnetiche (nuclei di ferrite) 33

18 Generazione 2: Valvole ( ) 1955) 34 memoria (da 256 bit) a nuclei di ferrite Generazione 2: Valvole ( ) 1955) Nel 1952 Grace Hopper, nell articolo intitolato The Education of a Computer, (Proc. ACM Conference, Annals of the History of Computing Vol. 9, No.3-4, pp ) descrive il concetto di compilatore. 35

19 Generazione 2: Valvole ( ) 1955) Nel 1954, John Backus (IBM) sviluppò il primo linguaggio di programmazione di alto livello (FORTRAN) con cui gli utenti potevano definire i problemi in termini di formule matematiche Il primo compilatore FORTRAN era costituito da schede perforate (2000 righe di codice non documentato) Molti programmi scientifici sono tuttora scritti in FORTRAN 36 Generazione 3: Transistor ( ) 1965) Nel 1947 W. Shockley, J. Bardeen, e W. Brattain inventano il dispositivo transfer resistance in seguito chiamato transistor 37

20 Generazione 3: Transistor ( ) 1965) 38 Nel 1955, l IBM produsse un computer mainframe (IBM 704), usando transistor discreti. Il primo computer con aritmetica floating point (5 kflops, clock: 300 khz) Generazione 4: ICs ( ) 1980) Nel 1958, J. Kilby della Texas Instruments (premio Nobel per la fisica nel 2000) dimostrò la possibilità di integrare un transistor insieme con resistenze e capacità su un singolo chip di semiconduttore (~1 cm 2 ), per ottenere un oscillatore phase shift. 39

21 Generazione 4: ICs ( ) 1980) Nel 1961, Fernando Corbató (MIT) produsse CTSS (Compatible Time Sharing System) per il computer IBM 7090/94: il primo sistema operativo (time-sharing) della storia. 40 Nel 1962 all Università di Manchester fu operativo il computer Atlas: il primo ad usare le tecniche di memoria virtuale, di paging e di pipelining; possedeva moduli separati per l aritmetica intera e floating-point, (prestazioni di ~200 kflops). Generazione 4: ICs ( ) 1980) Nel 1964 l IBM annunciò il System/360, la prima famiglia di computer compatibili. 41

22 Generazione 4: ICs ( ) 1980) Nel 1965, la DEC (Digital Equipment Corporation) produsse il PDP-8, il primo minicomputer. Si diffuse presto nei sistemi di controllo dei processi 42 Generazione 5: VLSI (1980-?) Nel 1971, Ted Hoff produsse l Intel 4004, il primo microprocessore, cioè il primo processore (a 4 bit) integrato su un singolo chip 43

23 Generazione 5: VLSI (1980-?) Nel 1975 MITS produsse l Altair 8800, il primo personal computer (memoria di 256 byte). Più tardi, Bill Gates and Paul Allen scrissero il primo compilatore BASIC per l Altair. Nel 1976: Apple I (ne furono prodotti 200). Nel 1981: il primo PC IBM. 44 Generazione 5: VLSI (1980-?) Nel 1984, lo Xerox PARC (Palo Alto Research Center) presentò ALTO, il primo computer con un nuova interfaccia utente (GUI): finestre, icone, mouse 45

24 Generazione 5: VLSI (1980-?) 46 Nel 1986: il Cray-XMP supercomputer con 4 processori (840 Mflops). (raffreddato ad acqua) Generazione 5: VLSI (1980-?) 47 Prestazioni simili a quelle del Pentium III (2000)

25 Sony Playstation CPU: Emotion Engine 128-bit RISC - MIPS IV-subset bit multimedia extension 64-bit integer unit (2-way superscalar), 107 multimedia 128-bit instructions bit registers, 48 double entries memory management unit (TLB) 64 entries branch target address cache (BTAC) 49 Clock 300MHz ( MHz) Cache 16KB instruction (2-way) - 8KB data (2-way) Scratch pad RAM 16KB (1K 128, 128, dual port) Memory 32MB (2 channels at 800MHz) Direct Rambus 3.2GB/sec DMA 10 channels Co-processor FPU MAC 1, FPU DIV 1 Vector unit VU0 (4KB/4KB) FPU MAC 4, FPU DIV 1 Vector unit VU1 (16KB/16KB) FPU MAC 9, FPU DIV 3 Decoder MPEG2 Size 226mm 2 (240mm 2 ) Performance: 6.2 Gflops 66 Mpoly/s (geometric and perspective transformations) 38 Mpoly/s (lighting) / 36 Mpoly/s (fog) 16 Mpoly/s (curved surface, Bezier)

26 Imaging: Graphic Synthesizer Pixel engines 16 in parallel Clock 150MHz ( MHz) Video RAM 4MB (embedded) DRAM bandwidth 48GB/sec DRAM bus width 2560-bit ( ) RGB:Alpha:Z Buffer 24:8: Mtransistors 183mm 2 (279mm 2 ) 50 Performance: 75 Mpoly/sec (small polygons) 50 Mpoly/sec (48 pix quad, 24-bit, Alpha, Z) 30 Mpoly/sec (50 pix triangle, Alpha, Z) 25 Mpoly/sec (48 pix quad, Alpha, Z, texture) Particle drawing 150 Mpixels/sec Sprite drawing M/s (8x8 pixels) (8x speed for 640x480 at 60fps) Cosa sta accadendo oggi: un esempio 2005: Sony, Toshiba e IBM annunciano il microprocessore CELL Più unità di calcolo indipendenti sul chip (multi-core) Parallelismo

27 Applicazioni del CELL (1 di 2) novembre 2006: Sony mette sul mercato Playstation 3, basata sul microprocessore CELL Architettura degli Elaboratori 2009 Applicazioni del CELL (2 di 2) maggio 2008: IBM RoadRunner, un progetto ibrido con CPU CELL e AMD Opteron, supera la barriera del PetaFLOPS (1'000'000'000'000'000 operazioni/secondo) Architettura degli Elaboratori 2009

28 Direzioni di sviluppo Parallelismo ad ogni livello 54 Continua l'integrazione ( system-on-a-chip ) Un computer in ogni dispositivo ( ubiquitous computing )? 01.a Fine Un po di storia