ITCG Cattaneo con Liceo Dall Aglio via Matilde di Canossa 3 Castelnovo ne Monti (RE) SEZIONE ITI - Corso di Fisica prof.

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1 ITCG Cattaneo con Liceo Dall Aglio via Matilde di Canossa 3 Castelnovo ne Monti (RE) SEZIONE ITI - Corso di Fisica prof. Massimo Manvilli BREVE STORIA DEL COMPUTER E' assai probabile che gli uomini abbiano imparato a contare, prima che a scrivere. Si ritiene, anzi, che la nascita della scrittura sia avvenuta per la necessità di registrare, contare e inventariare oggetti, merci e animali. I primi mezzi utilizzati per questo scopo furono bastoncini, sassi (in latino "calculi", da cui la parola calcolatore ) e tacche incise sulle pareti delle caverne. Il primo strumento di calcolo, che si diffuse molte migliaia di anni fa e rimase in uso fino alle soglie dell'età moderna, fu l'abaco, simile ad un pallottoliere. In figura vediamo un abaco "moderno" presente, fino a pochi anni fa, in molti negozi ed uffici dell'estremo oriente, usato comunemente per eseguire calcoli aritmetici. Nell'abaco romano (figura a fianco), si distinguevano due serie sovrapposte di otto bacchette: le bacchette inferiori portavano ognuna quattro palline, mentre le bacchette superiori (più corte) ne portavano una. Da destra verso sinistra, le lettere 0,1, X, C, ecc., indicavano rispettivamente le once, le unità, le decine, le centinaia, ecc., fino al milione. Per ogni lettera, la quantità era definita cosi: le palline superiori rappresentavano il numero cinque, mentre quelle inferiori indicavano i numeri da uno a quattro, e, una volta segnato il numero cinque, da sei a nove. In tutti i continenti ed in tutte le epoche l'uomo ha usato strumenti di calcolo più o meno complicati, congrui alle esigenze contabili del momento storico in cui ha vissuto.. Anche Leonardo Da vinci si cimentò nella progettazione di una macchina calcolatrice meccanica basata sull'uso di ingranaggi che si trasmettevano il movimento. Qui a fianco vediamo lo schizzo originale del progetto

2 Un passo decisivo verso le moderne macchine calcolatrici fu compiuto nel 1642 dal filosofo e matematico francese Blaise Pascal che, all'età di appena diciannove anni, costruì una macchina calcolatrice ad ingranaggi, in grado di eseguire addizioni e sottrazioni, la famosa "pascalina". Nella figura a lato vediamo gli ingranaggi interni e lo schema di funzionamento della macchina ; la rotazione completa di una ruota fa scattare di una posizione quella alla sua sinistra. In seguito furono realizzate altre macchine simili a questa, che erano, però, in grado di compiere tutte e quattro le operazioni dell'aritmetica In particolare, nel 1671, Gottfried Wilhelm Leibniz introdusse alcuni importanti miglioramenti alla pascalina, rendendola in grado di eseguire moltiplicazioni e divisioni sotto forma diaddizioni e sottrazioni ripetute ; la macchina però, pur frutto di un progetto ingegnoso e teoricamente corretto, non funzionò mai con la precisione e l'affidabilità attesa dal loro inventore. L'interesse per le macchine calcolatrici automatiche continuò a crescere, non solo fra i matematici, ma soprattutto nell'ambiente commerciale e bancario, fiorente ed in continua espansione. Molti tentarono di costruire macchine da calcolo che potessero essere prodotte in serie e vendute a banchieri e mercanti. L'impresa riuscì a Charles Xavier Thomas, nato in Alsazia, che, sempre sulla base del progetto di Leibniz, inventò, nel 1820,l'Aritmometro, progettato e costruito per poter essere prodotto in piccole serie dalle macchine utensili diffusesi con la Rivoluzione industriale e che fu venduto in migliaia di esemplari per tutto il secolo (poteva eseguire le quattro operazioni con risultati fino a dodici cifre). Nella foto vediamo un prototipo del "Comptometer", costruito in serie a partire dal 1887 da Dorr e Felt ; fu la prima macchina calcolatrice commerciale provvista di tastiera. Dall'industria tessile arrivò un'idea che trovò poi applicazione anche nel campo della macchine calcolatrici

3 Riprendendo e perfezionando le intuizioni di altri meccanici, Jac que s de V auca nso n aveva introdotto nel 1741 un sistema rivoluzionario nel processo di fabbricazione dei tessuti di seta, basato sull'impiego di un tamburo metallico perforato che comandava il telaio secondo uno schema prestabilito. Nel 1804 un altro francese, J o se ph M ari e J ac q ua rd, perfezionò il sistema, rendendolo adatto alla produzione di ogni genere di tessuti. Il programma di lavoro del telaio di Jacquard era scritto su strisce di carta con una figura fatta di tanti fori e veniva letto automaticamente dall'organo di comando : quando si voleva cambiare il disegno del tessuto, bastava sostituire la striscia di carta perforata con quella corrispondente a un altro modello. Era, in forma embrionale, il principio della scheda perforata, che venne presto sfruttato per costruire due specie di macchine molto diverse fra loro: le pianole ed i calcolatori programmabili. Nella prima metà dell'ottocento il matematico inglese Char le s B a bba ge diede importanti contributi allo sviluppo dei calcolatori. Egli costrui una macchina (chiamata "macchina differenziale") che eseguiva automaticamente i calcoli e poi stampava i risultati. Nel 1834, poi, progettò un nuovo strumento, che chiamò " m acc hi na a naliti ca ", seguendo uno schema assai simile a quello degli attuali calcolatori. Questa macchina, che avrebbe dovuto funzionare automaticamente, mossa da un motore a vapore; comprendeva infatti un "magazzino" (la memoria), dove pile di ruote dentate potevano rappresentare fino a mille numeri diversi, e un "mulino" (l'unità di calcolo), che poteva eseguire sui dati le quattro operazioni. Il controllo dello svolgimento delle operazioni era affidato a un programma, rappresentato mediante fori su una scheda di cartoncino, la stessa tecnica usata da tempo nei telai da Jacquard La "macchina analitica", assai complicata, non fu mai costruita per mancanza di mezzi adeguati: per il suo funzionamento occorrevano infatti pezzi meccanici lavorati con precisione altissima, irraggiungibile a quel tempo. L'insuccesso nella realizzazione pratica della macchina di Babbage era dipeso sostanzialmente dalle difficoltà insormontabili poste dalla costruzione e dalla manovra degli ingranaggi che dovevano eseguire le operazioni e memorizzare i risultati. Quando la tecnologia rese disponibile un sistema più conveniente per elaborare e trasmettere i segnali, sembrò relativamente facile tradurre in pratica i principi teorici del matematico

4 L'ingrediente mancante, reso accessibile alla fine del secolo diciannovesimo dalle scoperte di numerosi inventori, tra i quali spicca T ho m as A lva E dis o n, fu l'e ne rgia el ettrica ; e fu un altro americano, Herman Hollerith, la figura chiave di questo balzo in avanti. Nel 1880 il Governo degli Stati Uniti decise di fare il primo comp!eto censimento della popolazione americana, e decise anche che l'operazione sarebbe stata ripetuta ogni dieci anni. Her ma n H oll erit h aveva allora vent'anni e studiava statistica alla Columbia University di New York. La lettura e la classificazione dei dati raccolti con il censimento richiesero ben sette anni di lavoro: un lavoro noioso, monotono e ripetitivo, il classico lavoro che oggi verrebbe immediatamente sottoposto a un'energica cura di "meccanizzazione". A conti fatti, si scopri che il successivo censimento del 1890 avrebbe richiesto 20 anni per dare i risultati; un tempo inaccettabile, tale da vanificare la stessa funzione del censimento. Nel frattempo però il giovane Hollrith, che si era laureato e aveva preso servizio all'ufficio dei brevetti, aveva già pronta la soluzione del problema, e qualcosa di più. Nel 1882 aveva sviluppato una scheda sulla quale tutte le informazioni relative a una persona potevano venire rappresentate da una combinazione di fori. La scheda poteva contenere un massimo di 240 fori, che venivano eseguiti con una macchina punzonatrice meccanica. Nel processo di lettura della scheda, invece, interveniva la corrente elettrica : una matrice di 240 aghi metallici veniva spostata contro la scheda, cosicché solo gli aghi che si trovavano in corrispondenza dei fori potevano chiudere un circuito elettrico andando a pescare in un bagno di mercurio e facendo cosi scattare un contatore. L'invenzione di Hollerith ebbe innanzitutto il risultato di ridurre a un terzo la durata del tempo richiesto per completare i calcoli del censimento del 1890, ma soprattutto inaugurò il sistema di registrazione di dati e istruzioni usato nella tecnologia dei computer fino a pochi anni fa.

5 Per la precisione, fu nel 1894 che Hollerith disegnò la nuova scheda perforata a 80 colonne che sarebbe diventata uno standard di fatto, e nel 1896 costituì la Tabulating Company che, attraverso vari passaggi diproprietà, sarebbe diventata la "International Business Machines Corporation", ovvero la IBM. Con Hollerith e le sue macchine, che presto vennero utilizzate per svolgere compiti di registrazione, classificazione e conteggio di dati in settori molto diversi da quello d'origine, inizia un nuovo ciclo nella storia dell'industria moderna: furono i primi strumenti elettromeccanici complessi che modificarono il lavoro contabile e amministrativo, fino ad allora eseguito quasi esclusivamente con carta e penna.in quegli stessi anni, la macchina da scrivere e il telefono si sarebbero aggiunti alle calcolatrici e alle macchine meccanografiche, formando un corredo sufficiente alle esigenze dell'ufficio e che rimase pressoché immutato per oltre cinquant'anni. Ma altre esigenze, prima scientifiche e poi militari, stavano producendo nuove e profonde trasformazioni negli strumenti per il calcolo automatico; tali trasformazioni furono realizzate con il contributo teorico postumo di due matematici britannici, Charles Babbage e George Boole. George Boole lasciò una traccia indelebile nella storia della logica e della matematica. Portò avanti una ri cerca sulle leggi del pensiero su cui si fondano le teorie matematiche di logica e del calcolo probabilistico, dimostrando che era possibile utilizzare simboli e regole matematiche per elaborare concetti logici (la cosiddetta "algebra di Boole"). Bastava dimostrare che era possibile riprodurre con strumenti elettromeccanici le operazioni sugli insiemi logici e numerici di Boole, aggiungere il tutto alle teorie di Babbage, e il primo computer completo, cioè la prima macchina capace di eseguire operazioni logiche e matematiche su parole e numeri, avrebbe potuto vedere la luce. A questa impresa si accinse, nel 1937, un gruppo di scienziati della Harvard University guidati da Howard Aiken, e i ricercatori della IBM. Dopo sette anni, durante i quali prima l'europa poi anche gli Stati Uniti furono coinvolti nella guerra, nel1944 la loro ricerca produsse il primo prototipo funzionante: Mark I in codice "Harvard Automatic Sequence Controlled Calculator", nome datogli dai progettisti (foto). Basato sostanzialmente sulla stessa tecnologia della macchina tabulatrice di Hollerith, I'innovazione in Mark I risiedeva soprattutto in ciò che oggi chiamiamo "architettura" e "sistema operativo".

6 Il suo programma di lavoro era registrato su un nastro forato analogo a quello dei telai Jacquard, ma nella lunga sequenza di armadi che formavano la macchina si potevano riconoscere molti componenti delle macchine da ufficio IBM : relé, contatori, macchine per scrivere, alimentatori e perforatori di schede. Settantadue accumulatori di Hollerith, basati su relé elettromeccanici, formavano l'unita di calcolo aritmetico, e sessanta interruttori comandati manualmente erano usati per impostare i valori delle costanti. Mark I era preciso fino alla ventitreesima cifra, faceva una somma o una sottrazione in 0,3 secondi, una moltiplicazione in 4 secondi e una divisione in un tempo massimo di 16 secondi, pesava quasi cinque tonnellate, era lungo più di quindici metri e alto quasi due metri e mezzo. Durante i suoi 15 anni di onorato servizio, produsse una grande quantità di tabelle matematiche che vennero largamente utilizzate in campo scientifico e ingegneristico. Fu seguito da un secondo modello perfezionato, costruito nel 1948 (Mark II). Fu proprio quindi negli anni dalla 2 Guerra Mondiale che il progresso dei calcolatori subì una rapida accelerazione, a causa della necessità di compiere una grande mole di calcoli per scopi militari (per esempio calcolare le traiettorie dei proiettili). Nel 1936, il ventiseienne tedesco Konrad Zuse incominciò a costruire, artigianalmente in casa dei genitori, un calcolatore elettromeccanico cui diede il nome di Z1, seguito da modelli più perfezionati, lo Z2 e lo Z3, che impiegavano migliaia di relé e vennero in parte finanziati dal Governo tedesco. Zuse non sapeva niente di quanto si stava facendo nello stesso settore negli Stati Uniti. Malgrado ciò, fu capace di introdurre nella sua macchina due principi fondamentali dei moderni elaboratori e precisamente: la rappresentazione binaria dei numeri e il controllo programmato mediante nastro perforato che, nel primo esemplare, era costituito da una pellicola cinematografica opportunamente perforata. Come accadde però (o per fortuna) negli stessi anni anche per gli studi sulla fissione nucleare la Germania trascurò le possibili applicazioni strategiche della macchina di Zuse, I'unica che sarebbe stata in grado di opporsi con successo agli sforzi che negli stessi anni stava compiendo un gruppo di matematici e scienziati chiusi in un vecchio maniero della campagna britannica, a Bletchley Park. Alan Turing, matematico di Cambridge, aveva costruito una macchina in grado di risolvere problemi di logica; nel massimo segreto, i principi teorici della macchina di Turing vennero trasformati in un primo strumento reale, fatto di migliaia di relé elettromeccanici. Con questo nuovo strumento, dall'inizio del 1941, si cominciarono a tradurre i cifrari generati da Enigma, la macchina che i tedeschi credevano invincibile.gli analisti tedeschi erano convinti che per decifrare uno dei codici sarebbe occorso a un gruppo di matematici almeno un mese di tempo. Per questo motivo, Churchill incaricò Turing di organizzare e

7 dirigere il centro sulla comunicazione cifrata di Bletchley Park, vicino a Londra, formato da centinaia di menti brillanti e originali. Lì viene realizzata "Bombe", una macchina decodificatrice per i codici di Enigma. Quando, pochi anni dopo, i tedeschi capirono che troppo spesso le loro intenzioni erano anticipate dagli uomini dello Stato Maggiore britannico e decisero di rendere ancora più complicato il sistema di codifica generato da Enigma, Turing e i suoi collaboratori furono indotti a rischiare il grande passo: sostituire ai componenti elettromeccanici, derivati principalmente dalla tecnologia del telefono, la nuova valv ol a t erm oi onica inventata da Fle mi ng. Il progetto doveva essere riformato e verificato integralmente e a Turing si affiancarono il suo professore Max Newman, matematico, e T.H. Flowers, ingegnere delle telecomunicazioni. L'incognita stava soprattutto nell'affidabilità delle valvole termoioniche, usate fino a quel momento come amplificatori, e che ora invece avrebbero dovuto svolgere la funzione di contatori a due posizioni: O e 1. Nel dicembre del 1943 il prototipo era pronto: si chiamava " C ol o ss us" e conteneva 1500 valvole termoioniche. Era, in assoluto, il p ri mo el a borat ore elett ronico d ell a st ori a. A guardar bene, le macchine di Zuse ed il Colossus dovrebbero a buon diritto precedere Mark I come primi calcolatori della storia, ma, nella storia della tecnica, oltre alla priorità cronologica contano anche e soprattutto gli sviluppi e la discendenza che un certo prodotto ha generato. E le macchine di Zuse e di Turing, nate e sviluppate in epoca di guerra e con prevalente missione militare, rimasero chiuse nei loro laboratori per troppo tempo per poter dare quelle ricadute che invece vennero prodotte, e presto, dalla collaborazione fra le università americane e le grandi industrie come IBM e Bell. Infatti, nei mesi successivi, a Colossus fu affiancato un altro esemplare, dotato di 2500 valvole, ma, fino al 1975, I'esistenza di queste macchine, e dei successivi modelli che via via le perfezionarono, rimase circoscritta ad un gruppo molto ristretto di persone ; le loro prestazioni erano ancora tanto efficaci nella decrittazione dei cifrari da consigliare il servizio segreto britannico a non divulgarne l'esistenza. Il primo calcolatore elettronico della storia è così erroneamente considerato ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) che entrò in funzione nel 1946 all'università di Pennsylvania, in USA; aveva valvole, pesava 30 tonnellate, occupava l'area di un grosso appartamento (180 mq) e richiedeva per il suo funzionamento la potenza di watt. L'ENIAC ( nella foto sotto) aveva una velocità 1000 volte superiore a quella di Mark I, poteva eseguire in un secondo trecento moltiplicazioni, mentre le macchine precedenti non arrivavano nemmeno ad effettuare una moltiplicazione al secondo. La nascita di ENIAC J.W. Mauchly e John Eckert pensavano che un calcolatore digitale avrebbe potuto calcolare molto più rapidamente le tabelle balistiche, rispetto ai computer elettromeccanici. Le tabelle balistiche, indispensabili per ogni tipo di cannone e proiettile, erano necessarie ai soldati statunitensi poichè, dopo la campagna di guerra del Nord Africa nel 1942, gli Alleati avevano capito che, a causa delle differenti caratteristiche e peculiarità del terreno, così diverso rispetto a quello americano, i tiri dell'artiglieria risultavano assai imprecisi. Allo stesso tempo, però, ricalcolare a mano tutte le precedenti tabelle era un'impresa a dir poco impossibile. Tanto per fare un esempio, per stilare una semplice tabella balistica occorreva calcolare dalle duemila alle quattromila traiettorie, ognuna delle quali richiedeva all'incirca

8 750 moltiplicazioni. Ecco perché il contributo di "Eniac" si dimostrò importantissimo, in quanto fu capace di calcolare una determinata traiettoria in appena 30 secondi contro le quasi venti ore necessarie ad un matematico con l'ausilio di una calcolatrice elettromeccanica.così, nell'aprile del '43, tramite la Moore School of Engineering della Pennsylvania, Mauchly e Eckert presentano un "memo" che descrive un analizzatore elettronico che potrebbe calcolare le traiettorie e completare una tabella in soli due giorni. L'esercito degli Stati Uniti acquista la macchina che verrà costruita con l'impiego di circa ore/uomo. La macchina si chiama ENIAC ( Electronic Numerical Integrator and Calculator) e impiega valvole elettroniche. Non contiene parti in movimento, ad esclusione degli ingranaggi di input/output. Ha connessioni saldate, valvole, interruttori e 500 terminali. I calcoli sono svolti generando impulsi elettronici ed opera secondo il sistema decimale. L'output è su schede perforate. L'ENIAC originariamente non conteneva una memoria interna. Però, durante la costruzione, l'idea venne discussa ed infine la memoria venne aggiunta. L'ampiezza della sua parola numerica (word) è di 10 cifre decimali e può moltiplicare due numeri di questa ampiezza alla velocità di 300 risultati al secondo, trovando il valore di ciascun risultato in una tabella di moltiplicazioni registrata nella sua memoria. L'ENIAC è circa volte più veloce della precedente generazione di computer a relè. La macchina sarà completata nel La differenza stava nel fatto che mentre negli elaboratori elettromeccanici erano presenti una gran quantità di pezzi in movimento come interruttori che si aprivano o si chiudevano, relé che scattavano ecc. in ENIAC le uniche parti in movimenti erano costituite dai dispositivi di ingresso e di uscita (lettori di schede e macchine da scrivere).era però poco flessibile : infatti, per cambiarne il programma che stabiliva quale calcolo la macchina dovesse eseguire, occorreva modificarne i circuiti, un'operazione che richiedeva diversi giorni di lavoro. Una cosa che non si può riportare in queste pagine è l'odore di queste macchine, che veniva generato in seguito all'enorme calore prodotto. Odore di circuiti elettrici, di trasformatori impregnati di olio isolante, di cavi, di legno, di metalli surriscaldati e acidi vari. La stessa cosa vale per il rumore. Un insieme di suoni provenienti dagli enormi impianti di condizionamento, dai relè, dalle vibrazioni dei trasformatori e degli impianti di alimentazione dei circuiti. Assai più flessibili, invece, furono le macchine successive, costruite attorno al 1950, perché basate sul concetto di "programma memorizzato", introdotto dal fisico matematico Johann von Neumann. In queste macchine, cioè, il programma (scritto in codice binario e non più decimale) veniva scritto nella " memoria centrale ", e poteva quindi essere modificato assai facilmente. Questo concetto, ancora oggi, è alla base del funzionamento di tutti i calcolatori, da quelli più potenti ai più economici.

9 Negli anni '50 i calcolatori cominciarono a essere prodotti in serie dall'industria (il primo fu l' Univac -1, installato nel 1951 presso l'ufficio del Censimento USA). Essi erano però assai costosi e ingombranti.le dimensioni e il costo dei calcolatori diminuirono rapidamente quando le valvole furono sostituite prima dai " tra nsi st ors" e poi dai " circ uit i i nte grat i ". Ciò permise il diffondersi di queste macchine, che cominciarono ad essere impiegate nelle banche, nelle fabbriche e negli uffici. Un'altra rivoluzione si ebbe nel 1970, quando l'americano Ma rci an H off e l'italiano Fe de ric o Fa ggi n realizzarono il primo " mi crop roce ssore", un circuito integrato che contiene tutte le parti essenziali dell'unità centrale di un calcolatore. Questi dispositivi, in breve, vennero perfezionati e, grazie all'utilizzo dei semiconduttori e delle tecnologie di incisione laser, sempre più precise, divenne possibile, con essi, realizzare calcolatori molto economici e di dimensioni ridotte, che avevano prestazioni simili a quelle delle grandi macchine degli anni precedenti. Nacquero cosi i "microcalcolatori" o Pe rsonal C om p ute rs (PC), che hanno avuto e continuano ad avere grande diffusione negli uffici, nelle scuole e nelle nostre abitazioni. (Nel 198l anche il maggior produttore mondiale di calcolatori, la societè IBM, entrò nel settore dei microcalcolatori o PC). EVOLUZIONE DEI COMPONENTI ELETTRONICI Confronto tra le dimensioni del Tubo a vuoto (la cosiddetta "valvola"- a sinistra) dei calcolatori degli anni quaranta e cinquanta, del Transistor (in grado di eseguire le medesime funzionia destra con i tre piedini) usato negli anni sessanta, e di un "Circuito Integrato" degli anni settanta e ottanta ( al centro sul dito) che include al suo interno diverse decine di migliaia di elementi paragonabili a un transistor o ad una vecchia valvola.

10 Microfotografia elettronica di una parte di un circuito logico IBM.Lo spessore di ogni "linea" è inferiore a 0,5 µ (millesimi di millimetro) ; oggi si sono raggiunti 0,10µ!! Un moderno Microprocessore (rettangolo centrale; il resto è un semplice supporto) che contiene al suo interno circuiti logici molto complessi costituiti da diversi milioni di transistors disposti su una superficie di pochi mmq, con spessori di qualche decimo di millimetro (!!!!). Oltre alla miniaturizzazione molto spinta, negli ultimi anni si è assistito ad un aumento vertiginoso della velocità di elaborazione dei PC accompagnata da una forte diminuzione dei prezzi di produzione dovuta all'utilizzo dei semiconduttori ed alla rapidissima ottimizzazione della tecnica di incisione mediante laser. Considerando il progresso esponenziale che sta interessando l'elettronica e la diffusione a livello di massa dei Personal Computers, per cui ormai non si può fare a meno dell'ultimo superpotente modello neppure in casa (quello di cui ci convincono quotidianamente i media e le aziende produttrici!!!!) dobbiamo aspettarci maestre elementari superesperte in informatica che insisteranno ad opprimerci anche con la "cultura del bit"?