Harvard Mark I

La Harvard Mark I , o Calculadora Automática de Secuencia Controlada ( ASCC ) de IBM , fue una de las primeras computadoras electromecánicas de propósito general utilizadas en el esfuerzo bélico durante la última parte de la Segunda Guerra Mundial .

Uno de los primeros programas que se ejecutaron en la Mark I fue iniciado el 29 de marzo de 1944 ^{[ 1 ]} por John von Neumann . En ese momento, von Neumann trabajaba en el Proyecto Manhattan y necesitaba determinar si la implosión era una opción viable para detonar la bomba atómica que se usaría un año después. La Mark I también calculaba e imprimía tablas matemáticas, que había sido el objetivo inicial del inventor británico Charles Babbage para su máquina analítica en 1837.

Según Edmund Berkeley , los operadores del Mark I a menudo llamaban a la máquina "Bessy, la máquina de Bessel", en referencia a las funciones de Bessel . ^{[ 2 ]}

La Mark I fue desmantelada en 1959; una parte se entregó a IBM, otra parte fue a parar a la Institución Smithsonian y otra pasó a formar parte de la Colección Harvard de Instrumentos Científicos Históricos . Durante décadas, la parte de Harvard estuvo expuesta en el vestíbulo del Laboratorio de Computación Aiken. Alrededor de 1997, se trasladó al Centro de Ciencias de Harvard . En 2021, se trasladó de nuevo, al vestíbulo del nuevo Complejo de Ciencia e Ingeniería de Harvard en Allston, Massachusetts . ^{[ 3 ]}

Los orígenes de la Harvard Mark I se remontan a 1935, cuando Howard Aiken concibió la idea de construir una potente máquina de cálculo a gran escala mientras cursaba estudios de posgrado en física en la Universidad de Harvard . Aiken presentó su propuesta de una máquina de cálculo automática a IBM en noviembre de 1937. ^{[ 4 ] [ 5 ]} El concepto tenía como objetivo resolver problemas matemáticos avanzados. ^{[ 6 ]} Tras un estudio de viabilidad realizado por ingenieros de IBM, el presidente de la compañía, Thomas Watson Sr., aprobó personalmente el proyecto y su financiación en febrero de 1939.

Howard Aiken comenzó a buscar una empresa que diseñara y construyera su calculadora a principios de 1937. Tras dos rechazos, ^{[ 7 ]} le mostraron un conjunto de demostración que el hijo de Charles Babbage había donado a la Universidad de Harvard 70 años antes. Esto lo llevó a estudiar a Babbage y a añadir referencias a la Máquina Analítica a su propuesta; la máquina resultante "llevó los principios de la Máquina Analítica de Babbage casi a su plena realización, al tiempo que añadía importantes características nuevas". ^{[ 8 ]}

En 1941, Aiken tuvo que suspender el proyecto, ya que fue llamado al servicio activo de la marina en la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 6 ]} El ASCC fue desarrollado y construido por IBM en su planta de Endicott a principios de 1943, y fue enviado a Harvard en febrero de 1944. ^{[ 5 ]} Comenzó a realizar cálculos para la Oficina de Buques de la Armada de los Estados Unidos en mayo y fue presentado oficialmente a la universidad el 7 de agosto de 1944. ^{[ 9 ]}

Aunque no fue la primera computadora funcional , la máquina fue la primera en automatizar la ejecución de cálculos complejos, lo que supuso un avance significativo para la informática. ^{[ 10 ]}

El ASCC se construyó a partir de interruptores , relés , ejes giratorios y embragues. Utilizaba 765 000 componentes electromecánicos y cientos de millas de cable, con un volumen de 816 pies cúbicos (23 m³) – 51 pies ( 16 m ) ^de longitud , 8 pies (2,4 m) de altura y 2 pies (0,61 m) de profundidad. Pesaba aproximadamente 9445 libras (4,7 toneladas cortas; 4,3 t) . ^{[ 11 ]} Las unidades de cálculo básicas debían sincronizarse y alimentarse mecánicamente, por lo que eran operadas por un eje de transmisión de 50 pies (15 m) acoplado a un motor eléctrico de 5 caballos de fuerza (3,7 kW) , que servía como fuente de alimentación principal y reloj del sistema . Del archivo de IBM:       

La Calculadora Automática de Secuencia Controlada (Harvard Mark I) fue la primera máquina operativa capaz de realizar cálculos largos automáticamente. Un proyecto concebido por el Dr. Howard Aiken de la Universidad de Harvard, la Mark I fue construida por ingenieros de IBM en Endicott, Nueva York. Un bastidor de acero de 15,5 metros de largo y 2,4 metros de alto albergaba la calculadora, que consistía en un panel interconectado de pequeños engranajes, contadores, interruptores y circuitos de control, todos de apenas unos centímetros de profundidad. La ASCC utilizaba 800 kilómetros de cable con tres millones de conexiones, 3500 relés multipolares con 35 000 contactos, 2225 contadores, 1464 interruptores de diez polos y niveles de 72 máquinas sumadoras, cada una con 23 números significativos. Fue la calculadora electromecánica más grande de la industria. ^{[ 12 ]} 

La carcasa del Mark I fue diseñada por el futurista diseñador industrial estadounidense Norman Bel Geddes a expensas de IBM. Aiken estaba molesto porque el costo (50 000 dólares o más, según Grace Hopper ) no se utilizó para construir equipos informáticos adicionales. ^{[ 13 ]}

La Mark I tenía 60 conjuntos de 24 interruptores para la entrada manual de datos y podía almacenar 72 números, cada uno de 23 dígitos decimales. ^{[ 14 ]} Podía realizar 3 sumas o restas por segundo. Una multiplicación tardaba 6 segundos, una división 15,3 segundos y un logaritmo o una función trigonométrica más de un minuto. ^{[ 15 ]}

El Mark I leía sus instrucciones desde una cinta de papel perforada de 24 canales . Ejecutaba la instrucción actual y luego leía la siguiente. Una cinta separada podía contener números para la entrada, pero los formatos de cinta no eran intercambiables. Las instrucciones no podían ejecutarse desde los registros de almacenamiento. Debido a que las instrucciones no se almacenaban en la memoria de trabajo, se afirma ampliamente que el Harvard Mark I fue el origen de la arquitectura Harvard . Sin embargo, esto se cuestiona en The Myth of the Harvard Architecture, publicado en los IEEE Annals of the History of Computing , ^{[ 16 ]} que muestra que el término "arquitectura Harvard" no se empezó a usar hasta la década de 1970 (en el contexto de los microcontroladores) y solo se aplicó retrospectivamente a las máquinas Harvard, y que el término solo podía aplicarse al Mark III y IV , no al Mark I o II .

El mecanismo de secuencia principal era unidireccional. Esto significaba que los programas complejos debían ser físicamente largos. Un bucle de programa se lograba desenrollando el bucle o uniendo el final de la cinta de papel que contenía el programa al principio de la cinta (literalmente creando un bucle ). Al principio, la ramificación condicional en Mark I se realizaba manualmente. Modificaciones posteriores en 1946 introdujeron la ramificación automática del programa (por llamada a subrutina ). ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} Los primeros programadores de Mark  I fueron los pioneros de la computación Richard Milton Bloch , Robert Campbell y Grace Hopper . ^{[ 22 ]} También había un pequeño equipo técnico cuya tarea era operar la máquina; algunos habían sido empleados de IBM antes de ser requeridos para unirse a la Marina para trabajar en la máquina. ^{[ 23 ]} Este equipo técnico no fue informado del propósito general de su trabajo mientras estaba en Harvard.

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  Perforadora de tarjetas utilizada para preparar programas
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  Cinta de programa con parches de programación visibles
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  Interruptores rotativos utilizados para introducir constantes de datos de programa.
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  Indicadores y conmutadores de secuencia
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  Vista posterior de la sección de computación

Los 24 canales de la cinta de entrada se dividieron en tres campos de ocho canales cada uno. A cada ubicación de almacenamiento, a cada conjunto de conmutadores y a los registros asociados con las unidades de entrada, salida y aritméticas se les asignó un número de índice de identificación único. Estos números se representaron en binario en la cinta de control. El primer campo era el índice binario del resultado de la operación, el segundo era el dato de origen para la operación y el tercer campo era un código para la operación a realizar. ^{[ 14 ]}

En 1928, L. J. Comrie fue el primero en utilizar los equipos de tarjetas perforadas de IBM para fines científicos: el cálculo de tablas astronómicas mediante el método de diferencias finitas, tal como lo había concebido Babbage cien años antes para su Máquina Diferencial. ^{[ 24 ]} Poco después, IBM comenzó a modificar sus tabuladoras para facilitar este tipo de cálculo. Una de estas tabuladoras, construida en 1931, fue la Tabuladora Diferencial Columbia. ^{[ 25 ]}

John von Neumann tenía un equipo en Los Alamos que utilizaba "máquinas de tarjetas perforadas IBM modificadas" ^{[ 26 ]} para determinar los efectos de la implosión. En marzo de 1944, propuso resolver ciertos problemas relacionados con la implosión en la Mark I, y llegó a Harvard junto con dos matemáticos para escribir un programa de simulación para estudiar la implosión de la primera bomba atómica . ^{[ 1 ]}

El grupo de Los Alamos completó su trabajo en mucho menos tiempo que el grupo de Cambridge. Sin embargo, la máquina de tarjetas perforadas calculaba valores con seis decimales, mientras que la Mark I los calculaba con dieciocho decimales. Además, la Mark I integraba la ecuación diferencial parcial con un intervalo mucho menor [o una malla más pequeña] y, por lo tanto, lograba una precisión mucho mayor. ^{[ 26 ]}

"Von Neumann se unió al Proyecto Manhattan en 1943, trabajando en la inmensa cantidad de cálculos necesarios para construir la bomba atómica. Demostró que el diseño de implosión, que más tarde se usaría en las bombas Trinity y Fat Man , era probablemente más rápido y eficiente que el diseño de cañón." ^{[ 27 ]}

Aiken publicó un comunicado de prensa anunciando la Mark I, presentándose como el único inventor. James W. Bryce fue el único representante de IBM mencionado, a pesar de que varios ingenieros de IBM, incluidos Clair Lake y Frank Hamilton, habían ayudado a construir diversos componentes. El presidente de IBM, Thomas J. Watson , se enfureció y solo asistió a regañadientes a la ceremonia de inauguración el 7 de agosto de 1944. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Aiken, a su vez, decidió construir más máquinas sin la ayuda de IBM, y la ASCC pasó a ser conocida generalmente como la "Harvard Mark I". IBM continuó construyendo su Calculadora Electrónica de Secuencia Selectiva (SSEC) para probar nuevas tecnologías y dar mayor publicidad a los esfuerzos de la compañía. ^{[ 28 ]}

Al Mark I le siguieron el Harvard Mark II (1947 o 1948), el Mark III/ADEC (septiembre de 1949) y el Harvard Mark IV (1952), todos ellos obra de Aiken. El Mark II supuso una mejora respecto al Mark I, aunque seguía basándose en relés electromecánicos . El Mark III utilizaba principalmente componentes electrónicos —tubos de vacío y diodos de cristal— , pero también incluía componentes mecánicos: tambores magnéticos giratorios para el almacenamiento, además de relés para la transferencia de datos entre tambores. El Mark IV era totalmente electrónico, sustituyendo los componentes mecánicos restantes por memoria de núcleo magnético . El Mark II y el Mark III se entregaron a la base naval estadounidense de Dahlgren, Virginia . El Mark IV se construyó para la Fuerza Aérea estadounidense , pero permaneció en Harvard.

La Mark I fue desmantelada en 1959, y algunas de sus partes se exhibieron en el Centro de Ciencias , como parte de la Colección Harvard de Instrumentos Científicos Históricos . Fue trasladada al nuevo Complejo de Ciencia e Ingeniería en Allston en julio de 2021. ^{[ 30 ]} Otras secciones de la máquina original habían sido transferidas mucho antes a IBM y a la Institución Smithsoniana . ^{[ 31 ]}

• Máquina diferencial : una computadora mecánica pionera del siglo XIX.
• Historia del hardware informático
• Lista de computadoras electromecánicas
• Lista de computadoras de tubos de vacío

Publicaciones

• Entrevista de historia oral con Robert Hawkins en el Instituto Charles Babbage de la Universidad de Minnesota, Minneapolis. Hawkins habla sobre el proyecto Harvard-IBM Mark I en el que trabajó como técnico en la Universidad de Harvard, así como sobre el liderazgo de Howard Aiken en dicho proyecto.
• Entrevista de historia oral con Richard M. Bloch en el Instituto Charles Babbage de la Universidad de Minnesota, Minneapolis. Bloch describe su trabajo en el Laboratorio de Computación de Harvard para Howard Aiken en la Mark I.
• Entrevista de historia oral con Robert VD Campbell en el Instituto Charles Babbage de la Universidad de Minnesota, Minneapolis. Campbell habla sobre las contribuciones de Harvard e IBM al proyecto Mark I.
• Fotografía con partes de la máquina identificadas: "Fotografía enmarcada de la computadora IBM ASCC-Mark I | Objetos | La Colección de Instrumentos Científicos Históricos" . waywiser.rc.fas.harvard.edu . Archivado del original el 1 de agosto de 2020. Recuperado el 4 de noviembre de 2018 .
• Archivo de IBM: Sala de referencia de IBM ASCC