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Computadora

Ordenadores y dispositivos informáticos de diferentes épocas —de izquierda a derecha, de arriba abajo—: Computadora antigua de tubos de vacío ( ENIAC ) Ordenador central ( IBM S...

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Imagen en blanco y negro de un hombre reemplazando un tubo de vacío de entre cientos en una computadora antigua.
Sala de informática con varios armarios para ordenadores y un panel de control.
Smartphone con pantalla de efecto arcoíris sostenido en una mano
Ordenador de sobremesa negro con monitor en la parte superior y teclado en la parte frontal.
Filas de grandes y oscuros gabinetes de computadoras en una habitación que parece un almacén.
Ordenadores y dispositivos informáticos de diferentes épocas —de izquierda a derecha, de arriba abajo—:

Una computadora es una máquina que puede programarse para realizar automáticamente secuencias de operaciones aritméticas o lógicas ( computación ). Las computadoras electrónicas digitales modernas pueden ejecutar conjuntos genéricos de operaciones conocidos como programas , que les permiten realizar una amplia gama de tareas. El término sistema informático puede referirse a una computadora nominalmente completa que incluye el hardware , el sistema operativo , el software y los periféricos necesarios para su funcionamiento completo, o a un grupo de computadoras que están conectadas y funcionan conjuntamente, como una red informática o un clúster de computadoras .

Si bien en la década de 1930 eran escasas, hoy en día las computadoras son omnipresentes en una amplia gama de productos industriales y de consumo que las utilizan como sistemas de control . El precio, el tamaño y la complejidad de las computadoras varían desde dispositivos sencillos de un solo propósito, como llaveros electrónicos , hornos microondas y controles remotos , hasta supercomputadoras y fábricas que utilizan robots industriales . Las computadoras son la base de dispositivos de uso general, como computadoras personales y dispositivos móviles , como los teléfonos inteligentes . Las computadoras impulsan Internet , que conecta miles de millones de computadoras y usuarios.

Las primeras computadoras estaban diseñadas para usarse únicamente en cálculos. Instrumentos manuales sencillos como el ábaco han ayudado a las personas a realizar cálculos desde la antigüedad. Al comienzo de la Revolución Industrial , se construyeron algunos dispositivos mecánicos para automatizar tareas largas y tediosas, como guiar patrones para telares . Máquinas eléctricas más sofisticadas realizaban cálculos analógicos especializados a principios del siglo XX. Las primeras máquinas de cálculo electrónicas digitales se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial , comenzando con la electromecánica (década de 1930), las válvulas termoiónicas (década de 1930), los transistores semiconductores (década de 1940), los MOSFET (transistores MOS, década de 1950) y, finalmente , los circuitos integrados monolíticos (a partir de la década de 1950). Cada avance tecnológico dio como resultado diseños de circuitos más pequeños y eficientes que condujeron a la revolución del microprocesador y la microcomputadora en la década de 1970. Desde entonces, la velocidad, la capacidad de procesamiento y la versatilidad de las computadoras han aumentado drásticamente, con un incremento vertiginoso en el número de transistores ( la ley de Moore señalaba que el número de transistores se duplicaba cada dos años), lo que dio lugar a la Revolución Digital a finales del siglo XX y principios del XXI.

Tradicionalmente, un ordenador moderno consta de al menos un elemento de procesamiento , normalmente una unidad central de procesamiento (CPU) en forma de microprocesador , junto con algún tipo de memoria , generalmente chips de memoria semiconductores . El elemento de procesamiento realiza operaciones aritméticas y lógicas, y una unidad de secuenciación y control puede modificar el orden de las operaciones en función de la información almacenada . Los dispositivos periféricos incluyen dispositivos de entrada ( teclados , ratones , joysticks , etc.), dispositivos de salida ( monitores , impresoras , etc.) y dispositivos de entrada/salida que realizan ambas funciones (por ejemplo, pantallas táctiles ). Los dispositivos periféricos permiten recuperar información de una fuente externa y guardar y recuperar los resultados de las operaciones.

Etimología

Una computadora humana.
Una computadora humana , con microscopio y calculadora, 1952

No fue hasta mediados del siglo XX que la palabra adquirió su definición moderna; según el Diccionario Oxford de la Lengua Inglesa , el primer uso conocido de la palabra " computadora" se dio en un sentido diferente, en un libro de 1613 llamado The Yong Mans Gleanings del escritor inglés Richard Brathwait : "He leído al computador más veraz de los tiempos, y al mejor aritmético que jamás haya respirado , y él reduce tus días a un número corto". Este uso del término se refería a una computadora humana , una persona que realizaba cálculos o computaciones . La palabra continuó teniendo el mismo significado hasta mediados del siglo XX. Durante la última parte de este período, a menudo se contrataba a mujeres como computadoras porque se les podía pagar menos que a sus homólogos masculinos. [ 1 ] Para 1943, la mayoría de las computadoras humanas eran mujeres. [ 2 ]

El Diccionario Etimológico en Línea da el primer uso documentado de computadora en la década de 1640, con el significado de 'aquel que calcula'; este es un 'sustantivo agente de compute (v.)'. El Diccionario Etimológico en Línea afirma que el uso del término para significar ' máquina de calcular ' (de cualquier tipo) es de 1897. El Diccionario Etimológico en Línea indica que el 'uso moderno' del término, para significar 'computadora electrónica digital programable' data de '1945 con este nombre; [en un] sentido teórico desde 1937, como máquina de Turing '. [ 3 ] El nombre se ha mantenido, aunque las computadoras modernas son capaces de muchas funciones de nivel superior.

Historia

Anterior al siglo XX

El hueso de Ishango , una herramienta de hueso que data de la África prehistórica.

Se han utilizado dispositivos para ayudar en el cálculo durante miles de años, principalmente mediante la correspondencia uno a uno con los dedos . El primer dispositivo de conteo fue probablemente una forma de vara de conteo . Posteriormente, en todo el Creciente Fértil , las ayudas para el registro incluían cálculos (esferas de arcilla, conos, etc.) que representaban recuentos de artículos, probablemente ganado o granos, sellados en recipientes huecos de arcilla sin cocer. [ a ] ​​[ 4 ] El uso de varillas de conteo es un ejemplo.

El ábaco chino (算盘). El número representado en este ábaco es 6.302.715.408.

El ábaco se utilizó inicialmente para tareas aritméticas. El ábaco romano se desarrolló a partir de dispositivos utilizados en Babilonia ya en el año 2400 a. C. Desde entonces, se han inventado muchas otras formas de tableros o tablas de cálculo. En una casa de contabilidad medieval europea , se colocaba un paño a cuadros sobre una mesa y se movían marcadores sobre él según ciertas reglas, como ayuda para calcular sumas de dinero. [ 5 ]

El mecanismo de Anticitera , que data de la antigua Grecia, entre el 200 y el 80 a. C., es un dispositivo de computación analógica primitivo .

Se cree que el mecanismo de Anticitera es la computadora analógica mecánica más antigua conocida , según Derek J. de Solla Price . [ 6 ] Fue diseñado para calcular posiciones astronómicas. Fue descubierto en 1901 en los restos del naufragio del Anticitera , frente a la isla griega de Anticitera , entre Citera y Creta , y se ha datado aproximadamente en el año 100 a . C. Dispositivos de complejidad comparable al mecanismo de Anticitera no volverían a aparecer hasta el siglo XIV. [ 7 ]

Se construyeron muchos instrumentos mecánicos para el cálculo y la medición con fines astronómicos y de navegación. El planisferio era un mapa estelar inventado por Abū Rayhān al-Bīrūnī a principios del siglo XI. [ 8 ] El astrolabio se inventó en el mundo helenístico en los siglos I o II a. C. y a menudo se atribuye a Hiparco . Combinación del planisferio y la dióptra , el astrolabio era, en efecto, una computadora analógica capaz de resolver diversos problemas en astronomía esférica . Un astrolabio que incorporaba una computadora de calendario mecánico [ 9 ] [ 10 ] y ruedas dentadas fue inventado por Abi Bakr de Isfahán , Persia, en 1235. [ 11 ] Abū Rayhān al-Bīrūnī inventó el primer astrolabio de calendario lunisolar mecánico con engranajes, [ 12 ] una máquina temprana de procesamiento de conocimiento con cables fijos [ 13 ] con un tren de engranajes y ruedas dentadas, [ 14 ] c. 1000 d.C.

El sector , un instrumento de cálculo utilizado para resolver problemas de proporción, trigonometría , multiplicación y división, y para diversas funciones, como cuadrados y raíces cúbicas, se desarrolló a finales del siglo XVI y encontró aplicación en la artillería, la topografía y la navegación.

El planímetro era un instrumento manual para calcular el área de una figura cerrada trazándola con un mecanismo mecánico.

Una regla de cálculo

La regla de cálculo fue inventada entre 1620 y 1630 por el clérigo inglés William Oughtred , poco después de la publicación del concepto de logaritmo . Se trata de una calculadora analógica manual para realizar multiplicaciones y divisiones. Con el desarrollo de la regla de cálculo, se añadieron escalas que permitieron calcular recíprocos, cuadrados y raíces cuadradas, cubos y raíces cúbicas, así como funciones trascendentales como logaritmos y exponenciales, trigonometría circular e hiperbólica , entre otras . Las reglas de cálculo con escalas especiales todavía se utilizan para realizar cálculos rutinarios con rapidez, como la regla de cálculo circular E6B, empleada para calcular tiempos y distancias en aeronaves ligeras.

En la década de 1770, Pierre Jaquet-Droz , un relojero suizo , construyó una muñeca mecánica ( autómata ) que podía escribir sosteniendo una pluma. Al cambiar el número y el orden de sus ruedas internas, se podían producir diferentes letras y, por lo tanto, diferentes mensajes. En efecto, podía programarse mecánicamente para leer instrucciones. Junto con otras dos máquinas complejas, la muñeca se encuentra en el Museo de Arte e Historia de Neuchâtel , Suiza , y aún funciona. [ 15 ]

Entre 1831 y 1835, el matemático e ingeniero Giovanni Plana ideó una máquina de calendario perpetuo que, mediante un sistema de poleas y cilindros, podía predecir el calendario perpetuo para cada año desde el año 0 d. C. (es decir, el año 1 a. C.) hasta el año 4000 d. C., teniendo en cuenta los años bisiestos y la duración variable del día. La máquina de predicción de mareas inventada por el científico escocés Sir William Thomson en 1872 fue de gran utilidad para la navegación en aguas poco profundas. Utilizaba un sistema de poleas y cables para calcular automáticamente los niveles de marea previstos para un período determinado en una ubicación específica.

El analizador diferencial , una computadora analógica mecánica diseñada para resolver ecuaciones diferenciales mediante integración , utilizaba mecanismos de rueda y disco para realizar la integración. En 1876, Sir William Thomson ya había discutido la posible construcción de tales calculadoras, pero se había visto obstaculizado por el par de salida limitado de los integradores de bola y disco . [ 16 ] En un analizador diferencial, la salida de un integrador impulsaba la entrada del siguiente integrador, o una salida gráfica. El amplificador de par fue el avance que permitió que estas máquinas funcionaran. A partir de la década de 1920, Vannevar Bush y otros desarrollaron analizadores diferenciales mecánicos.

En la década de 1890, el ingeniero español Leonardo Torres Quevedo comenzó a desarrollar una serie de máquinas analógicas avanzadas que podían resolver raíces reales y complejas de polinomios , [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] que fueron publicadas en 1901 por la Academia de Ciencias de París . [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

Primera computadora

Charles Babbage
Diagrama de una parte de la máquina diferencial de Babbage.
El Motor Diferencial Número 2 en el laboratorio de Intellectual Ventures en Seattle.

Charles Babbage , ingeniero mecánico y polímata inglés , fue el creador del concepto de computadora programable. Considerado el " padre de la computadora ", [ 23 ] conceptualizó e inventó la primera computadora mecánica a principios del siglo XIX.

Tras trabajar en su máquina diferencial, anunció su invención en 1822, en un artículo a la Real Sociedad Astronómica , titulado «Nota sobre la aplicación de maquinaria al cálculo de tablas astronómicas y matemáticas». [ 24 ] También diseñó una herramienta para ayudar en los cálculos de navegación; en 1833 se dio cuenta de que era posible un diseño mucho más general: una máquina analítica . La entrada de programas y datos se proporcionaría a la máquina mediante tarjetas perforadas , un método que se utilizaba en ese momento para dirigir telares mecánicos como el telar Jacquard . Para la salida, la máquina contaría con una impresora , un trazador de curvas y una campana. La máquina también podría perforar números en tarjetas para su posterior lectura. La máquina incorporaría una unidad aritmético-lógica , un flujo de control en forma de ramificación condicional y bucles , y memoria integrada , lo que la convierte en el primer diseño de una computadora de propósito general que podría describirse en términos modernos como Turing-completa . [ 25 ] [ 26 ]

La máquina se adelantó un siglo a su tiempo. Todas sus piezas debían fabricarse a mano, lo que suponía un gran problema para un dispositivo con miles de componentes. Finalmente, el proyecto se disolvió cuando el gobierno británico decidió suspender su financiación. El fracaso de Babbage en completar la máquina analítica se debe principalmente a dificultades políticas y financieras, así como a su deseo de desarrollar una computadora cada vez más sofisticada y avanzar más rápido que nadie. Sin embargo, su hijo, Henry Babbage , completó una versión simplificada de la unidad de cálculo de la máquina analítica (el molino ) en 1888. Realizó una demostración exitosa de su uso en tablas de cálculo en 1906.

Máquina de cálculo electromecánica

Calculadora electromecánica (1920) de Leonardo Torres Quevedo .

En su obra Ensayos sobre Automática, publicada en 1914, Leonardo Torres Quevedo escribió una breve historia de los esfuerzos de Charles Babbage por construir una Máquina Diferencial y una Máquina Analítica mecánicas . El documento contiene el diseño de una máquina capaz de calcular fórmulas comoaincógnita(y−z)2{\displaystyle a^{x}(yz)^{2}}, para una secuencia de conjuntos de valores. Toda la máquina iba a ser controlada por un programa de solo lectura , que incluía disposiciones para ramificación condicional . También introdujo la idea de la aritmética de punto flotante . [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] En 1920, para celebrar el centenario de la invención del aritmómetro , Torres presentó en París el Aritmómetro Electromecánico, que permitía al usuario introducir problemas aritméticos mediante un teclado , y calculaba e imprimía los resultados, [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] demostrando la viabilidad de un motor analítico electromecánico. [ 34 ]

Computadoras analógicas

Tercer diseño de máquina de predicción de mareas de Sir William Thomson , 1879-1881.

Durante la primera mitad del siglo XX, muchas necesidades de computación científica fueron satisfechas por computadoras analógicas cada vez más sofisticadas, que utilizaban un modelo mecánico o eléctrico directo del problema como base para el cálculo . Sin embargo, estas no eran programables y, en general, carecían de la versatilidad y precisión de las computadoras digitales modernas. [ 35 ] La primera computadora analógica moderna fue una máquina de predicción de mareas , inventada por Sir William Thomson (quien más tarde se convertiría en Lord Kelvin) en 1872. El analizador diferencial , una computadora analógica mecánica diseñada para resolver ecuaciones diferenciales mediante integración utilizando mecanismos de rueda y disco, fue conceptualizado en 1876 por James Thomson , el hermano mayor del más famoso Sir William Thomson. [ 16 ]

El arte de la computación analógica mecánica alcanzó su cenit con el analizador diferencial , completado en 1931 por Vannevar Bush en el MIT . [ 36 ] Para la década de 1950, el éxito de las computadoras electrónicas digitales había significado el fin de la mayoría de las máquinas de computación analógica, pero las computadoras analógicas continuaron en uso durante la década de 1950 en algunas aplicaciones especializadas como la educación ( regla de cálculo ) y la aviación ( sistemas de control ).

Computadoras digitales

Electromecánico

La tesis de maestría de Claude Shannon de 1937 sentó las bases de la computación digital, siendo su idea de aplicar el álgebra booleana al análisis y la síntesis de circuitos de conmutación el concepto básico que subyace a todas las computadoras digitales electrónicas. [ 37 ] [ 38 ]

En 1938, la Armada de los Estados Unidos desarrolló la Computadora de Datos de Torpedos , una computadora analógica electromecánica para submarinos que utilizaba trigonometría para resolver el problema de disparar un torpedo a un objetivo en movimiento. Durante la Segunda Guerra Mundial , se desarrollaron dispositivos similares en otros países. [ 39 ]

Réplica del Z3 de Konrad Zuse , el primer ordenador digital (electromecánico) totalmente automático.

Las primeras computadoras digitales eran electromecánicas ; interruptores eléctricos accionaban relés mecánicos para realizar los cálculos. Estos dispositivos tenían una velocidad de funcionamiento baja y finalmente fueron reemplazados por computadoras totalmente eléctricas mucho más rápidas, que originalmente utilizaban tubos de vacío . La Z2 , creada por el ingeniero alemán Konrad Zuse en 1939 en Berlín , fue uno de los primeros ejemplos de una computadora electromecánica con relés. [ 40 ]

Konrad Zuse , inventor de la computadora moderna [ 41 ] [ 42 ]

En 1941, Zuse continuó con su máquina anterior con la Z3 , la primera computadora digital totalmente automática, programable y electromecánica en funcionamiento del mundo. [ 43 ] [ 44 ] La Z3 se construyó con 2000 relés , implementando una longitud de palabra de 22 bits que operaba a una frecuencia de reloj de aproximadamente 5–10 Hz . [ 45 ] El código del programa se suministraba en película perforada , mientras que los datos podían almacenarse en 64 palabras de memoria o suministrarse desde el teclado. Era bastante similar a las máquinas modernas en algunos aspectos, siendo pionera en numerosos avances como los números de punto flotante . En lugar del sistema decimal, más difícil de implementar (utilizado en el diseño anterior de Charles Babbage ), el uso de un sistema binario significaba que las máquinas de Zuse eran más fáciles de construir y potencialmente más fiables, dadas las tecnologías disponibles en ese momento. [ 46 ] La Z3 no era en sí misma una computadora universal, pero podía extenderse para ser Turing completa . [ 47 ] [ 48 ]

El siguiente ordenador de Zuse, el Z4 , se convirtió en el primer ordenador comercial del mundo; tras un retraso inicial debido a la Segunda Guerra Mundial, se completó en 1950 y se entregó a la ETH Zúrich . [ 49 ] El ordenador fue fabricado por la propia empresa de Zuse, Zuse KG , fundada en 1941 como la primera empresa con el único propósito de desarrollar ordenadores en Berlín. [ 49 ] El Z4 sirvió de inspiración para la construcción del ERMETH , el primer ordenador suizo y uno de los primeros de Europa. [ 50 ]

Tubos de vacío y circuitos electrónicos digitales

Los elementos de circuitos puramente electrónicos pronto reemplazaron a sus equivalentes mecánicos y electromecánicos, al mismo tiempo que el cálculo digital reemplazó al analógico. El ingeniero Tommy Flowers , que trabajaba en la Estación de Investigación de Correos de Londres 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 cinco años después, convirtiendo una parte de la red de la central telefónica en un sistema electrónico de procesamiento de datos, utilizando miles de tubos de vacío . [ 35 ] En los EE. UU., John Vincent Atanasoff y Clifford E. Berry de la Universidad Estatal de Iowa desarrollaron y probaron la computadora Atanasoff-Berry (ABC) en 1942, [ 51 ] la primera "computadora digital electrónica automática". [ 52 ] Este diseño también era totalmente electrónico y utilizaba unos 300 tubos de vacío, con condensadores fijados en un tambor giratorio mecánico para la memoria. [ 53 ]

Dos mujeres son detectadas por la computadora Colossus.
Colossus , el primer dispositivo electrónico de computación digital programable, se utilizó para descifrar códigos alemanes durante la Segunda Guerra Mundial. Aquí se puede ver en funcionamiento en Bletchley Park en 1943.

Durante la Segunda Guerra Mundial, los criptógrafos británicos de Bletchley Park lograron varios éxitos en el descifrado de comunicaciones militares alemanas encriptadas. La máquina de encriptación alemana, Enigma , fue atacada por primera vez con la ayuda de las máquinas electromecánicas Bombe , que a menudo eran operadas por mujeres. [ 54 ] [ 55 ] Para descifrar la más sofisticada máquina alemana Lorenz SZ 40/42 , utilizada para comunicaciones de alto nivel del Ejército, Max Newman y sus colegas encargaron a Flowers la construcción del Colossus . [ 53 ] Pasó once meses desde principios de febrero de 1943 diseñando y construyendo el primer Colossus. [ 56 ] Después de una prueba funcional en diciembre de 1943, el Colossus fue enviado a Bletchley Park, donde fue entregado el 18 de enero de 1944 [ 57 ] y atacó su primer mensaje el 5 de febrero. [ 53 ]

Colossus fue la primera computadora electrónica digital programable del mundo. [ 35 ] Utilizaba una gran cantidad de válvulas (tubos de vacío). Tenía entrada de cinta de papel y era capaz de configurarse para realizar diversas operaciones algebraicas de lógica booleana sobre sus datos, pero no era Turing-completa. Se construyeron nueve Colossus Mk II (el Mk I se convirtió en un Mk II, lo que dio un total de diez máquinas). Colossus Mark I contenía 1500 válvulas termoiónicas (tubos), pero el Mark II, con 2400 válvulas, era cinco veces más rápido y más sencillo de operar que el Mark I, acelerando enormemente el proceso de decodificación. [ 58 ] [ 59 ]

ENIAC fue el primer dispositivo electrónico , Turing-completo, y realizó cálculos de trayectoria balística para el Ejército de los Estados Unidos .

La ENIAC [ 60 ] (Integrador y Computador Numérico Electrónico) fue la primera computadora electrónica programable construida en los EE. UU. Aunque la ENIAC era similar a la Colossus, era mucho más rápida, más flexible y Turing completa. Al igual que la Colossus, un "programa" en la ENIAC se definía por los estados de sus cables de conexión e interruptores, muy diferente de las máquinas electrónicas de programa almacenado que surgieron posteriormente. Una vez escrito un programa, debía configurarse mecánicamente en la máquina mediante el reinicio manual de enchufes e interruptores. Las programadoras de la ENIAC eran seis mujeres, a menudo conocidas colectivamente como las "chicas de la ENIAC". [ 61 ] [ 62 ]

Combinaba la alta velocidad de la electrónica con la capacidad de ser programada para resolver muchos problemas complejos. Podía sumar o restar 5000 veces por segundo, mil veces más rápido que cualquier otra máquina. También contaba con módulos para multiplicar, dividir y calcular la raíz cuadrada. La memoria de alta velocidad estaba limitada a 20 palabras (aproximadamente 80 bytes). Construida bajo la dirección de John Mauchly y J. Presper Eckert en la Universidad de Pensilvania, el desarrollo y la construcción de ENIAC se extendieron desde 1943 hasta su plena operatividad a finales de 1945. La máquina era enorme, pesaba 30 toneladas, consumía 200 kilovatios de energía eléctrica y contenía más de 18 000 tubos de vacío, 1500 relés y cientos de miles de resistencias, condensadores e inductores. [ 63 ]

Computadoras modernas

Concepto de computadora moderna

El principio de la computadora moderna fue propuesto por Alan Turing en su influyente artículo de 1936, [ 64 ] Sobre los números computables . Turing propuso un dispositivo simple que llamó "Máquina de computación universal" y que ahora se conoce como máquina de Turing universal . Demostró que dicha máquina es capaz de calcular cualquier cosa que sea computable mediante la ejecución de instrucciones (programa) almacenadas en cinta, lo que permite que la máquina sea programable. El concepto fundamental del diseño de Turing es el programa almacenado , donde todas las instrucciones para el cálculo se almacenan en la memoria. Von Neumann reconoció que el concepto central de la computadora moderna se debía a este artículo. [ 65 ] Las máquinas de Turing son hasta el día de hoy un objeto central de estudio en la teoría de la computación . Excepto por las limitaciones impuestas por sus almacenes de memoria finitos, se dice que las computadoras modernas son Turing-completas , es decir, tienen una capacidad de ejecución de algoritmos equivalente a la de una máquina de Turing universal.

Programas almacenados

Tres estantes altos que contienen placas de circuitos electrónicos.
Una sección del Manchester Baby reconstruido , el primer ordenador electrónico con programa almacenado.

Las primeras máquinas de computación tenían programas fijos. Cambiar su función requería recablear y reestructurar la máquina. [ 66 ] Con la propuesta de la computadora de programa almacenado, esto cambió. Una computadora de programa almacenado incluye por diseño un conjunto de instrucciones y puede almacenar en memoria un conjunto de instrucciones (un programa ) que detalla el cálculo . La base teórica para la computadora de programa almacenado fue establecida por Alan Turing en su artículo de 1936. En 1945, Turing se unió al Laboratorio Nacional de Física y comenzó a trabajar en el desarrollo de una computadora digital electrónica de programa almacenado. Su informe de 1945, "Calculadora electrónica propuesta", fue la primera especificación para un dispositivo de este tipo. John von Neumann, de la Universidad de Pensilvania, también distribuyó su Primer Borrador de un Informe sobre la EDVAC en 1945. [ 35 ]

El Manchester Baby fue el primer ordenador de programa almacenado del mundo . Fue construido en la Universidad de Manchester en Inglaterra por Frederic C. Williams , Tom Kilburn y Geoff Tootill , y ejecutó su primer programa el 21 de junio de 1948. [ 67 ] Fue diseñado como un banco de pruebas para el tubo Williams , el primer dispositivo de almacenamiento digital de acceso aleatorio . [ 68 ] Aunque el ordenador fue descrito como "pequeño y primitivo" en una retrospectiva de 1998, fue la primera máquina funcional que contenía todos los elementos esenciales de un ordenador electrónico moderno. [ 69 ] Tan pronto como el Baby demostró la viabilidad de su diseño, se inició un proyecto en la universidad para convertirlo en un ordenador prácticamente útil, el Manchester Mark 1 .

El Mark 1, a su vez, se convirtió rápidamente en el prototipo del Ferranti Mark 1 , el primer ordenador de propósito general disponible comercialmente del mundo. [ 70 ] Construido por Ferranti , fue entregado a la Universidad de Manchester en febrero de 1951. Al menos siete de estas máquinas posteriores fueron entregadas entre 1953 y 1957, una de ellas a los laboratorios de Shell en Ámsterdam . [ 71 ] En octubre de 1947, los directores de la empresa británica de catering J. Lyons & Company decidieron tomar un papel activo en la promoción del desarrollo comercial de los ordenadores. El ordenador LEO I de Lyons , modelado fielmente a partir del Cambridge EDSAC de 1949, entró en funcionamiento en abril de 1951 [ 72 ] y ejecutó el primer trabajo rutinario de ordenador de oficina del mundo .

Transistores

Transistor de unión bipolar (BJT)

El concepto de transistor de efecto de campo fue propuesto por Julius Edgar Lilienfeld en 1925. John Bardeen y Walter Brattain , mientras trabajaban con William Shockley en los Laboratorios Bell , construyeron el primer transistor funcional , el transistor de contacto puntual , en 1947, al que siguió el transistor de unión bipolar de Shockley en 1948. [ 73 ] [ 74 ] A partir de 1955, los transistores reemplazaron a las válvulas de vacío en los diseños de computadoras, dando lugar a la "segunda generación" de computadoras. En comparación con las válvulas de vacío, los transistores tienen muchas ventajas: son más pequeños y requieren menos energía, por lo que generan menos calor. Los transistores de unión eran mucho más fiables que las válvulas de vacío y tenían una vida útil más larga e indefinida. Las computadoras transistorizadas podían contener decenas de miles de circuitos lógicos binarios en un espacio relativamente compacto. Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos y difíciles de fabricar en masa , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. [ 75 ]

En la Universidad de Manchester , un equipo liderado por Tom Kilburn diseñó y construyó una máquina que utilizaba transistores, de reciente desarrollo, en lugar de válvulas. [ 76 ] Su primera computadora transistorizada , y la primera del mundo, estuvo operativa en 1953 , y una segunda versión se completó allí en abril de 1955. Sin embargo, la máquina sí utilizaba válvulas para generar sus  formas de onda de reloj de 125 kHz y en el circuito para leer y escribir en su memoria de tambor magnético , por lo que no fue la primera computadora completamente transistorizada. Esa distinción corresponde a la Harwell CADET de 1955, [ 77 ] construida por la división de electrónica del Establecimiento de Investigación de Energía Atómica en Harwell . [ 77 ] [ 78 ]

Transistor MOSFET (transistor MOS), mostrando los terminales de puerta (G), cuerpo (B), fuente (S) y drenador (D). La puerta está separada del cuerpo por una capa aislante (rosa).

El transistor de efecto de campo de metal-óxido-silicio (MOSFET), también conocido como transistor MOS, fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960 [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] y fue el primer transistor verdaderamente compacto que pudo ser miniaturizado y producido en masa para una amplia gama de usos. [ 75 ] Con su alta escalabilidad , [ 85 ] y un consumo de energía mucho menor y mayor densidad que los transistores de unión bipolar, [ 86 ] el MOSFET hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad . [ 87 ] [ 88 ] Además del procesamiento de datos, también permitió el uso práctico de transistores MOS como elementos de almacenamiento de celdas de memoria , lo que llevó al desarrollo de la memoria semiconductora MOS, que reemplazó la memoria de núcleo magnético anterior en las computadoras. El MOSFET dio origen a la revolución de las microcomputadoras [ 89 ] y se convirtió en la fuerza motriz de la revolución informática [ 90 ] [ 91 ] . El MOSFET es el transistor más utilizado en computadoras [ 92 ] [ 93 ] y es el componente fundamental de la electrónica digital [ 94 ] .

circuitos integrados

Los circuitos integrados suelen venir empaquetados en carcasas de plástico, metal o cerámica para protegerlos de posibles daños y facilitar su montaje.

El siguiente gran avance en la capacidad de computación llegó con la invención del circuito integrado (CI). La idea del circuito integrado fue concebida por primera vez por Geoffrey W. A. ​​Dummer , científico especializado en radares que trabajaba para el Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa . Dummer presentó la primera descripción pública de un circuito integrado en el Simposio sobre el Progreso en Componentes Electrónicos de Calidad, celebrado en Washington, D. C. , el 7 de mayo de 1952. [ 95 ] 

Los primeros circuitos integrados funcionales fueron inventados por Jack Kilby en Texas Instruments y Robert Noyce en Fairchild Semiconductor . [ 96 ] Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958, demostrando con éxito el primer ejemplo funcional el 12 de septiembre de 1958. [ 97 ] En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor  ... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". [ 98 ] [ 99 ] Sin embargo, la invención de Kilby fue un circuito integrado híbrido (CI híbrido), en lugar de un chip de circuito integrado (CI) monolítico. [ 100 ] El CI de Kilby tenía conexiones de cable externas, lo que dificultaba su producción en masa. [ 101 ]

Noyce también concibió su propia idea de un circuito integrado medio año después que Kilby. [ 102 ] La invención de Noyce fue el primer chip IC monolítico verdadero y resolvió muchos problemas prácticos que el de Kilby no había resuelto. [ 103 ] [ 101 ] Producido en Fairchild Semiconductor, estaba hecho de silicio , mientras que el chip de Kilby estaba hecho de germanio . El IC monolítico de Noyce se fabricó utilizando el proceso planar , desarrollado por su colega Jean Hoerni a principios de 1959. A su vez, el proceso planar se basó en el trabajo de Carl Frosch y Lincoln Derick sobre la pasivación de la superficie de semiconductores con dióxido de silicio. [ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]

Los circuitos integrados monolíticos modernos son predominantemente circuitos integrados MOS ( metal-óxido-semiconductor ), construidos a partir de MOSFET (transistores MOS). [ 110 ] El primer circuito integrado MOS experimental fabricado fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. [ 111 ] General Microelectronics introdujo posteriormente el primer circuito integrado MOS comercial en 1964, [ 112 ] desarrollado por Robert Norman. [ 111 ] Tras el desarrollo del transistor MOS de puerta autoalineada (puerta de silicio) por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967, el primer circuito integrado MOS de puerta de silicio con puertas autoalineadas fue desarrollado por Federico Faggin en Fairchild Semiconductor en 1968. [ 113 ] Desde entonces, el MOSFET se ha convertido en el componente de dispositivo más crítico en los circuitos integrados modernos. [ 110 ]

Fotografía del chip de un MOS 6502 , un microprocesador de principios de la década de 1970 que integraba 3500 transistores en un solo chip.

El desarrollo del circuito integrado MOS condujo a la invención del microprocesador , [ 114 ] [ 115 ] y anunció una explosión en el uso comercial y personal de las computadoras. Si bien el tema de cuál fue exactamente el primer microprocesador es controvertido, en parte debido a la falta de acuerdo sobre la definición exacta del término "microprocesador", es en gran medida indiscutible que el primer microprocesador de un solo chip fue el Intel 4004 , [ 116 ] diseñado y realizado por Federico Faggin con su tecnología de circuito integrado MOS de puerta de silicio, [ 114 ] junto con Ted Hoff , Masatoshi Shima y Stanley Mazor en Intel . [ b ] [ 118 ] A principios de la década de 1970, la tecnología de circuito integrado MOS permitió la integración de más de 10 000 transistores en un solo chip. [ 88 ]

Los sistemas en un chip (SoC) son computadoras completas en un microchip (o chip) del tamaño de una moneda. [ 119 ] Pueden o no tener RAM y memoria flash integradas . Si no están integradas, la RAM generalmente se coloca directamente encima (conocido como paquete sobre paquete ) o debajo (en el lado opuesto de la placa de circuito ) del SoC, y la memoria flash generalmente se coloca justo al lado del SoC. Esto se hace para mejorar las velocidades de transferencia de datos, ya que las señales de datos no tienen que viajar largas distancias. Desde ENIAC en 1945, las computadoras han avanzado enormemente, con SoC modernos (como el Snapdragon 865) que tienen el tamaño de una moneda y también son cientos de miles de veces más potentes que ENIAC, integran miles de millones de transistores y consumen solo unos pocos vatios de potencia.

Computadoras móviles

Los primeros ordenadores portátiles eran pesados ​​y se conectaban a la red eléctrica. El IBM 5100, de 23 kg (50 lb), fue un ejemplo temprano. Los portátiles posteriores, como el Osborne 1 y el Compaq Portable, eran considerablemente más ligeros, pero aún necesitaban estar enchufados. Los primeros portátiles, como el Grid Compass , eliminaron este requisito al incorporar baterías, y con la continua miniaturización de los recursos informáticos y los avances en la duración de las baterías portátiles, los ordenadores portátiles ganaron popularidad en la década de 2000. [ 120 ] Estos mismos avances permitieron a los fabricantes integrar recursos informáticos en teléfonos móviles celulares a principios de la década de 2000.  

Estos teléfonos inteligentes y tabletas funcionan con diversos sistemas operativos y recientemente se convirtieron en el dispositivo informático dominante del mercado. [ 121 ] Estos dispositivos funcionan con sistemas en un chip (SoC), que son computadoras completas en un microchip del tamaño de una moneda. [ 119 ]

Tipos

Los ordenadores se pueden clasificar de varias maneras diferentes, entre ellas:

Por arquitectura

Por tamaño, factor de forma y propósito

Computadoras no convencionales

Una computadora no necesita ser electrónica , ni siquiera tener un procesador , ni RAM , ni siquiera un disco duro . Si bien el uso popular de la palabra "computadora" es sinónimo de una computadora electrónica personal, [ c ] una definición moderna típica de una computadora es: " Un dispositivo que calcula , especialmente una máquina electrónica programable [generalmente] que realiza operaciones matemáticas o lógicas de alta velocidad o que ensambla, almacena, correlaciona o procesa información de otra manera". [ 126 ] Según esta definición, cualquier dispositivo que procese información califica como una computadora.

Hardware

Vídeo que muestra los componentes estándar de un ordenador "delgado".

El término hardware abarca todas las partes físicas tangibles de una computadora. Los circuitos , los chips , las tarjetas gráficas , las tarjetas de sonido , la memoria (RAM) , las placas base , las pantallas , las fuentes de alimentación , los cables, los teclados , las impresoras y los ratones de computadora son todos componentes de hardware.

Historia del hardware informático

Otros temas de hardware

Una computadora de propósito general tiene cuatro componentes principales: la unidad aritmético-lógica (ALU), la unidad de control , la memoria y los dispositivos de entrada/salida (denominados colectivamente E/S). Estas partes están interconectadas por buses , generalmente formados por grupos de cables. Dentro de cada una de estas partes hay miles o billones de pequeños circuitos eléctricos que se pueden encender o apagar mediante un interruptor electrónico. Cada circuito representa un bit (dígito binario) de información, de modo que cuando el circuito está encendido representa un "1" y cuando está apagado representa un "0" (en lógica positiva). Los circuitos están organizados en puertas lógicas, de manera que uno o más circuitos pueden controlar el estado de uno o más de los otros circuitos.

Dispositivos de entrada

Los dispositivos de entrada son los medios mediante los cuales se controlan las operaciones de una computadora y se le proporcionan datos. Algunos ejemplos son:

Dispositivos de salida

Los dispositivos de salida son los medios mediante los cuales una computadora proporciona los resultados de sus cálculos en un formato comprensible para el ser humano. Algunos ejemplos son:

Unidad de control

Diagrama que muestra cómo el sistema de control decodificaría una instrucción particular de la arquitectura MIPS.

La unidad de control (a menudo llamada sistema de control o controlador central) administra los diversos componentes de la computadora; lee e interpreta (decodifica) las instrucciones del programa, transformándolas en señales de control que activan otras partes de la computadora. [ e ] En las computadoras avanzadas, los sistemas de control pueden cambiar el orden de ejecución de algunas instrucciones para mejorar el rendimiento.

Un componente clave común a todas las CPU es el contador de programa , una celda de memoria especial (un registro ) que mantiene un registro de qué ubicación en la memoria se debe leer la siguiente instrucción. [ f ]

La función del sistema de control es la siguiente; esta es una descripción simplificada, y algunos de estos pasos pueden realizarse simultáneamente o en un orden diferente según el tipo de CPU:

  1. Lee el código de la siguiente instrucción de la celda indicada por el contador de programa.
  2. Decodificar el código numérico de la instrucción en un conjunto de comandos o señales para cada uno de los demás sistemas.
  3. Incremente el contador del programa para que apunte a la siguiente instrucción.
  4. Lee los datos que la instrucción requiere de las celdas de memoria (o quizás de un dispositivo de entrada). La ubicación de estos datos necesarios suele estar almacenada en el código de la instrucción.
  5. Proporcione los datos necesarios a una ALU o registro.
  6. Si la instrucción requiere una ALU o hardware especializado para completarse, indique al hardware que realice la operación solicitada.
  7. Escriba el resultado de la ALU en una ubicación de memoria, en un registro o quizás en un dispositivo de salida.
  8. Vuelva al paso (1).

Conceptualmente, dado que el contador de programa es simplemente otro conjunto de celdas de memoria, puede modificarse mediante cálculos realizados en la ALU. Sumar 100 al contador de programa haría que la siguiente instrucción se leyera desde una posición 100 veces más adelante en el programa. Las instrucciones que modifican el contador de programa se conocen a menudo como "saltos" y permiten bucles (instrucciones que el ordenador repite) y, frecuentemente, la ejecución condicional de instrucciones (ambos ejemplos de flujo de control ).

La secuencia de operaciones que realiza la unidad de control para procesar una instrucción es, en sí misma, similar a un programa informático corto, y de hecho, en algunos diseños de CPU más complejos, existe otro ordenador aún más pequeño llamado microsecuenciador , que ejecuta un programa de microcódigo que provoca que todos estos eventos ocurran.

unidad central de procesamiento (CPU)

La unidad de control, la ALU y los registros se conocen colectivamente como unidad central de procesamiento (CPU). Las primeras CPU estaban compuestas por muchos componentes separados. Desde la década de 1970, las CPU se han construido típicamente sobre un único chip de circuito integrado MOS llamado microprocesador .

Unidad aritmético-lógica (ALU)

La ALU es capaz de realizar dos clases de operaciones: aritméticas y lógicas. [ 127 ] El conjunto de operaciones aritméticas que admite una ALU en particular puede limitarse a la suma y la resta, o puede incluir la multiplicación, la división, funciones trigonométricas como el seno, el coseno, etc., y raíces cuadradas . Algunas solo pueden operar con números enteros , mientras que otras utilizan números de coma flotante para representar números reales , aunque con precisión limitada. Sin embargo, cualquier computadora capaz de realizar las operaciones más simples puede programarse para descomponer las operaciones más complejas en pasos simples que pueda ejecutar. Por lo tanto, cualquier computadora puede programarse para realizar cualquier operación aritmética, aunque tardará más tiempo si su ALU no la admite directamente. Una ALU también puede comparar números y devolver valores booleanos (verdadero o falso) según si uno es igual, mayor o menor que el otro ("¿es 64 mayor que 65?"). Las operaciones lógicas incluyen la lógica booleana : AND , OR , XOR y NOT . Estas pueden ser útiles para crear sentencias condicionales complejas y procesar lógica booleana .

Las computadoras superescalares pueden contener múltiples ALU, lo que les permite procesar varias instrucciones simultáneamente. [ 128 ] Los procesadores gráficos y las computadoras con características SIMD y MIMD a menudo contienen ALU que pueden realizar aritmética en vectores y matrices .

Memoria

La memoria de núcleo magnético (que utiliza núcleos magnéticos ) fue la memoria preferida por los ordenadores en la década de 1960, hasta que fue sustituida por la memoria de semiconductores (que utiliza celdas de memoria MOS ).

La memoria de un ordenador puede considerarse como una lista de celdas donde se pueden almacenar o leer números. Cada celda tiene una " dirección " numerada y puede almacenar un único número. Se le puede indicar al ordenador que "coloque el número 123 en la celda 1357" o que "sume el número de la celda 1357 con el de la celda 2468 y guarde el resultado en la celda 1595". La información almacenada en la memoria puede representar prácticamente cualquier cosa. Letras, números e incluso instrucciones informáticas pueden almacenarse en la memoria con la misma facilidad. Dado que la CPU no distingue entre los diferentes tipos de información, es responsabilidad del software dar significado a lo que la memoria percibe como una simple serie de números.

En casi todos los ordenadores modernos, cada celda de memoria está configurada para almacenar números binarios en grupos de ocho bits (llamados bytes ). Cada byte puede representar 256 números diferentes (2⁸ = 2⁵⁶); ya sea de 0 a 255 o de -128 a +127. Para almacenar números mayores, se pueden usar varios bytes consecutivos (normalmente, dos, cuatro u ocho). Cuando se requieren números negativos, generalmente se almacenan en notación de complemento a dos . Existen otras configuraciones posibles, pero no suelen verse fuera de aplicaciones especializadas o contextos históricos. Un ordenador puede almacenar cualquier tipo de información en la memoria si se puede representar numéricamente. Los ordenadores modernos tienen miles de millones o incluso billones de bytes de memoria.

La CPU contiene un conjunto especial de celdas de memoria llamadas registros , que permiten una lectura y escritura mucho más rápida que la memoria principal. Generalmente, hay entre dos y cien registros, según el tipo de CPU. Los registros se utilizan para almacenar los datos que se necesitan con mayor frecuencia, evitando así tener que acceder a la memoria principal cada vez que se requieren. Dado que los datos se procesan constantemente, reducir la necesidad de acceder a la memoria principal (que suele ser lenta en comparación con la ALU y las unidades de control) aumenta considerablemente la velocidad del ordenador.

La memoria principal de las computadoras se presenta en dos variedades principales:

La RAM se puede leer y escribir en cualquier momento que la CPU lo ordene, pero la ROM está precargada con datos y software que nunca cambian, por lo que la CPU solo puede leer de ella. La ROM se usa normalmente para almacenar las instrucciones de arranque inicial del ordenador. En general, el contenido de la RAM se borra cuando se apaga el ordenador, pero la ROM conserva sus datos indefinidamente. En un PC, la ROM contiene un programa especializado llamado BIOS que coordina la carga del sistema operativo del ordenador desde el disco duro a la RAM cada vez que se enciende o se reinicia el ordenador. En los ordenadores integrados , que con frecuencia no tienen unidades de disco, todo el software necesario puede almacenarse en la ROM. El software almacenado en la ROM a menudo se denomina firmware , porque conceptualmente se parece más al hardware que al software. La memoria flash difumina la distinción entre ROM y RAM, ya que conserva sus datos cuando se apaga, pero también es regrabable. Sin embargo, suele ser mucho más lenta que la ROM y la RAM convencionales, por lo que su uso se restringe a aplicaciones donde la alta velocidad no es necesaria. [ g ]

En ordenadores más sofisticados, puede haber una o más memorias caché RAM , que son más lentas que los registros pero más rápidas que la memoria principal. Generalmente, los ordenadores con este tipo de caché están diseñados para mover automáticamente a la caché los datos que se necesitan con frecuencia, a menudo sin necesidad de intervención por parte del programador.

Entrada/salida (E/S)

Los discos duros son dispositivos de almacenamiento comunes que se utilizan con los ordenadores.

La E/S es el medio por el cual una computadora intercambia información con el mundo exterior. [ 130 ] Los dispositivos que proporcionan entrada o salida a la computadora se llaman periféricos . [ 131 ] En una computadora personal típica, los periféricos incluyen dispositivos de entrada como el teclado y el mouse , y dispositivos de salida como la pantalla y la impresora . Las unidades de disco duro , las unidades de disquete y las unidades de disco óptico sirven como dispositivos de entrada y salida. Las redes informáticas son otra forma de E/S. Los dispositivos de E/S suelen ser computadoras complejas por derecho propio, con su propia CPU y memoria. Una unidad de procesamiento gráfico puede contener cincuenta o más computadoras diminutas que realizan los cálculos necesarios para mostrar gráficos 3D . Las computadoras de escritorio modernas contienen muchas computadoras más pequeñas que ayudan a la CPU principal a realizar la E/S. Una pantalla plana de la era de 2016 contiene su propio circuito informático.

Multitarea

Si bien se puede considerar que una computadora ejecuta un único programa gigantesco almacenado en su memoria principal, en algunos sistemas es necesario simular la ejecución de varios programas simultáneamente. Esto se logra mediante la multitarea, es decir, haciendo que la computadora alterne rápidamente entre la ejecución de cada programa. [ 132 ]

Una forma de lograr esto es mediante una señal especial llamada interrupción , que periódicamente puede hacer que la computadora detenga la ejecución de instrucciones donde se encontraba y realice otra tarea. Al recordar dónde se estaba ejecutando antes de la interrupción, la computadora puede retomar esa tarea más tarde. Si varios programas se ejecutan simultáneamente, el generador de interrupciones podría causar cientos de interrupciones por segundo, lo que provocaría un cambio de programa cada vez. Dado que las computadoras modernas suelen ejecutar instrucciones varios órdenes de magnitud más rápido que la percepción humana, puede parecer que muchos programas se ejecutan al mismo tiempo, aunque solo uno se esté ejecutando en un instante dado. Este método de multitarea a veces se denomina "tiempo compartido", ya que a cada programa se le asigna un "fragmento" de tiempo por turno. [ 133 ]

Antes de la era de los ordenadores económicos, el principal uso de la multitarea era permitir que varias personas compartieran el mismo ordenador. Aparentemente, la multitarea ralentizaría un ordenador que alterna entre varios programas, en proporción directa al número de programas que ejecuta. Sin embargo, la mayoría de los programas dedican gran parte de su tiempo a esperar a que los dispositivos de entrada/salida lentos completen sus tareas. Si un programa espera a que el usuario haga clic con el ratón o pulse una tecla, no consumirá tiempo hasta que se produzca el evento esperado. Esto libera tiempo para que otros programas se ejecuten, permitiendo que muchos programas se ejecuten simultáneamente sin una pérdida de velocidad inaceptable.

Multiprocesamiento

Cray diseñó muchas supercomputadoras que utilizaban intensivamente el procesamiento paralelo.

Algunos ordenadores están diseñados para distribuir su trabajo entre varias CPU en una configuración de multiprocesamiento, una técnica que antes solo se empleaba en máquinas grandes y potentes como superordenadores , ordenadores centrales y servidores . Los ordenadores personales y portátiles multiprocesador y multinúcleo (varias CPU en un único circuito integrado) están ahora ampliamente disponibles y, como resultado, se utilizan cada vez más en mercados de gama baja.

Las supercomputadoras, en particular, suelen tener arquitecturas muy singulares que difieren significativamente de la arquitectura básica de programas almacenados y de las computadoras de propósito general. [ h ] A menudo cuentan con miles de CPU, interconexiones de alta velocidad personalizadas y hardware de computación especializado. Estos diseños tienden a ser útiles solo para tareas especializadas debido a la gran escala de organización de programas necesaria para utilizar la mayoría de los recursos disponibles simultáneamente. Las supercomputadoras se utilizan habitualmente en aplicaciones de simulación a gran escala , renderizado de gráficos y criptografía , así como en otras tareas denominadas " paralelas de forma alarmante ".

Software

El software consiste en la información codificada que determina el funcionamiento de una computadora, como datos o instrucciones sobre cómo procesarlos. A diferencia del hardware físico con el que se construye el sistema, el software es inmaterial. El software incluye programas informáticos , bibliotecas y datos no ejecutables relacionados, como documentación en línea o medios digitales . Generalmente se divide en software de sistema y software de aplicación . Tanto el software como el hardware son componentes clave de una computadora moderna.

El firmware es un subconjunto de software que se utiliza para controlar el hardware físico, como por ejemplo la ROM del BIOS en un ordenador compatible con IBM PC .

Programas

La característica definitoria de las computadoras modernas, que las distingue de todas las demás máquinas, es su capacidad de programación . Se les proporciona un tipo de instrucciones (el programa ) y estas las procesan. Las computadoras modernas basadas en la arquitectura von Neumann suelen tener código máquina en forma de un lenguaje de programación imperativo . En la práctica, un programa informático puede constar de unas pocas instrucciones o extenderse a millones, como ocurre con los programas de procesadores de texto y navegadores web, por ejemplo. Una computadora moderna típica puede ejecutar miles de millones de instrucciones por segundo ( gigaflops ) y rara vez comete errores tras muchos años de funcionamiento. Los programas informáticos de gran tamaño, que constan de varios millones de instrucciones, pueden requerir años de trabajo de equipos de programadores y, debido a la complejidad de la tarea, casi con seguridad contienen errores.

Arquitectura de programas almacenados

Réplica del Manchester Baby , el primer ordenador electrónico con programa almacenado del mundo , en el Museo de Ciencia e Industria de Manchester, Inglaterra.

Esta sección se aplica a la mayoría de los ordenadores comunes basados ​​en memoria RAM .

En la mayoría de los casos, las instrucciones informáticas son sencillas: sumar un número a otro, mover datos de una ubicación a otra, enviar un mensaje a un dispositivo externo, etc. Estas instrucciones se leen de la memoria del ordenador y generalmente se ejecutan en el orden en que se recibieron. Sin embargo, suele haber instrucciones especializadas para indicarle al ordenador que avance o retroceda a otra parte del programa y continúe la ejecución desde allí. Estas se denominan instrucciones de salto (o bifurcaciones ). Además, las instrucciones de salto pueden configurarse para que se ejecuten de forma condicional, de modo que se utilicen diferentes secuencias de instrucciones dependiendo del resultado de algún cálculo previo o de algún evento externo. Muchos ordenadores admiten directamente las subrutinas proporcionando un tipo de salto que "recuerda" la ubicación desde la que saltó y otra instrucción para regresar a la instrucción siguiente.

La ejecución de un programa puede compararse con la lectura de un libro. Si bien una persona normalmente lee cada palabra y línea en secuencia, a veces puede retroceder a un punto anterior del texto o saltarse secciones que no le interesan. De manera similar, una computadora puede, en ocasiones, repetir las instrucciones de alguna sección del programa una y otra vez hasta que se cumpla alguna condición interna. Esto se denomina flujo de control dentro del programa y es lo que permite a la computadora realizar tareas repetidamente sin intervención humana.

En comparación, una persona que usa una calculadora de bolsillo puede realizar una operación aritmética básica, como sumar dos números, con solo presionar unos pocos botones. Pero sumar todos los números del 1 al 1000 requeriría miles de pulsaciones y mucho tiempo, con una alta probabilidad de cometer un error. Por otro lado, una computadora puede programarse para hacer esto con solo unas pocas instrucciones sencillas. El siguiente ejemplo está escrito en lenguaje ensamblador MIPS :

begin: addi $8 , $0 , 0 # inicializa la suma a 0 addi $9 , $0 , 1 # establece el primer número a sumar = 1 loop: slti $10 , $9 , 1000 # comprueba si el número es menor que 1000 beq $10 , $0 , finish # si el número impar es mayor que n, entonces sale add $8 , $8 , $9 # actualiza la suma addi $9 , $9 , 1 # obtiene el siguiente número j loop # repite el proceso de suma finish: add $2 , $8 , $0 # coloca la suma en el registro de salida

Una vez que se le ordena ejecutar este programa, la computadora realizará la suma repetitiva sin intervención humana. Casi nunca cometerá errores y una PC moderna puede completar la tarea en una fracción de segundo.

Código máquina

En la mayoría de las computadoras, las instrucciones individuales se almacenan como código máquina , y a cada instrucción se le asigna un número único (su código de operación o opcode ). La instrucción para sumar dos números tendría un opcode; la instrucción para multiplicarlos tendría un opcode diferente, y así sucesivamente. Las computadoras más simples pueden ejecutar cualquiera de un puñado de instrucciones diferentes; las computadoras más complejas tienen varios cientos para elegir, cada una con un código numérico único. Dado que la memoria de la computadora puede almacenar números, también puede almacenar los códigos de instrucción. Esto lleva al hecho importante de que los programas completos (que son simplemente listas de estas instrucciones) pueden representarse como listas de números y pueden manipularse dentro de la computadora de la misma manera que los datos numéricos. El concepto fundamental de almacenar programas en la memoria de la computadora junto con los datos sobre los que operan es la clave de la arquitectura von Neumann, o de programa almacenado. [ 135 ] [ 136 ] En algunos casos, una computadora puede almacenar parte o la totalidad de su programa en una memoria que se mantiene separada de los datos sobre los que opera. Esto se conoce como arquitectura Harvard, en honor al ordenador Harvard Mark I. Los ordenadores von Neumann modernos presentan algunos rasgos de la arquitectura Harvard en sus diseños, como por ejemplo en las memorias caché de la CPU .

Si bien es posible escribir programas informáticos como largas listas de números ( lenguaje máquina ) y esta técnica se utilizó en muchos de los primeros ordenadores, resulta extremadamente tedioso y propenso a errores en la práctica, especialmente para programas complejos. En su lugar, a cada instrucción básica se le puede asignar un nombre corto que indique su función y sea fácil de recordar  : una regla mnemotécnica como ADD, SUB, MULT o JUMP. Estas reglas mnemotécnicas se conocen colectivamente como el lenguaje ensamblador de un ordenador . La conversión de programas escritos en lenguaje ensamblador a un lenguaje que el ordenador pueda comprender (lenguaje máquina) se suele realizar mediante un programa informático llamado ensamblador.

Una tarjeta perforada de la década de 1970 que contiene una línea de un programa Fortran . La tarjeta dice: "Z(1) = Y + W(1)" y está etiquetada como "PROJ039" para fines de identificación.

Lenguaje de programación

Un lenguaje de programación es un sistema de notación para escribir el código fuente a partir del cual se genera un programa informático . Los lenguajes de programación ofrecen diversas maneras de especificar programas para que las computadoras los ejecuten. A diferencia de los lenguajes naturales , los lenguajes de programación están diseñados para no permitir ambigüedad y ser concisos. Son lenguajes puramente escritos y, a menudo, difíciles de leer en voz alta. Generalmente, se traducen a código máquina mediante un compilador o un ensamblador antes de su ejecución, o bien se traducen directamente en tiempo de ejecución mediante un intérprete . En ocasiones, los programas se ejecutan mediante un método híbrido que combina ambas técnicas.

Existen miles de lenguajes de programación: algunos están destinados a la programación de propósito general , otros son útiles solo para aplicaciones altamente especializadas.

Diseño del programa

El diseño de programas pequeños es relativamente simple e implica el análisis del problema, la recopilación de entradas, el uso de las construcciones de programación dentro de los lenguajes, la creación o el uso de procedimientos y algoritmos establecidos, el suministro de datos para dispositivos de salida y soluciones al problema según corresponda. [ 137 ] A medida que los problemas se vuelven más grandes y complejos, se encuentran características como subprogramas, módulos, documentación formal y nuevos paradigmas como la programación orientada a objetos. [ 138 ] Los programas grandes que involucran miles de líneas de código o más requieren metodologías de software formales. [ 139 ] La tarea de desarrollar grandes sistemas de software presenta un desafío intelectual significativo. [ 140 ] Producir software con una confiabilidad aceptablemente alta dentro de un cronograma y presupuesto predecibles ha sido históricamente difícil; [ 141 ] la disciplina académica y profesional de la ingeniería de software se concentra específicamente en este desafío. [ 142 ]

Insectos

El primer error informático real fue una polilla encontrada atrapada en un relé de la computadora Harvard Mark II.

Errors in computer programs are called "bugs". They may be benign and not affect the usefulness of the program, or have only subtle effects. However, in some cases they may cause the program or the entire system to "hang", becoming unresponsive to input such as mouse clicks or keystrokes, to completely fail, or to crash.[143] Otherwise benign bugs may sometimes be harnessed for malicious intent by an unscrupulous user writing an exploit, code designed to take advantage of a bug and disrupt a computer's proper execution. Bugs are usually not the fault of the computer. Since computers merely execute the instructions they are given, bugs are nearly always the result of programmer error or an oversight made in the program's design.[j] Admiral Grace Hopper, an American computer scientist and developer of the first compiler, is credited for having first used the term "bugs" in computing after a dead moth was found shorting a relay in the Harvard Mark II computer in September 1947.[144]

Networking and the Internet

Visualization of a portion of the routes on the Internet

Computers have been used to coordinate information between multiple physical locations since the 1950s. The U.S. military's SAGE system was the first large-scale example of such a system, which led to a number of special-purpose commercial systems such as Sabre.[145]

En la década de 1970, ingenieros informáticos de instituciones de investigación de todo Estados Unidos comenzaron a conectar sus computadoras mediante tecnología de telecomunicaciones. El proyecto fue financiado por ARPA (ahora DARPA ), y la red informática resultante se denominó ARPANET . [ 146 ] Las puertas lógicas son una abstracción común que se puede aplicar a la mayoría de los paradigmas digitales o analógicos mencionados anteriormente . La capacidad de almacenar y ejecutar listas de instrucciones llamadas programas hace que las computadoras sean extremadamente versátiles, distinguiéndolas de las calculadoras . La tesis de Church-Turing es una formulación matemática de esta versatilidad: cualquier computadora con una capacidad mínima (ser Turing-completa) es, en principio, capaz de realizar las mismas tareas que cualquier otra computadora. Por lo tanto, cualquier tipo de computadora ( netbook , supercomputadora , autómata celular , etc.) puede realizar las mismas tareas computacionales, siempre que disponga de suficiente tiempo y capacidad de almacenamiento.

Inteligencia artificial

En el siglo XX, los sistemas de inteligencia artificial eran predominantemente simbólicos : ejecutaban código programado explícitamente por desarrolladores de software. [ 147 ] Sin embargo, los modelos de aprendizaje automático tienen un conjunto de parámetros que se ajustan durante el entrenamiento, de modo que el modelo aprende a realizar una tarea basándose en los datos proporcionados. La eficiencia del aprendizaje automático (y en particular de las redes neuronales ) ha mejorado rápidamente con el progreso del hardware para la computación paralela , principalmente las unidades de procesamiento gráfico (GPU). [ 148 ] Algunos modelos de lenguaje de gran tamaño son capaces de controlar ordenadores o robots. [ 149 ] [ 150 ] El progreso de la IA puede conducir a la creación de la inteligencia artificial general (IAG), un tipo de IA que podría realizar prácticamente cualquier tarea intelectual al menos tan bien como los humanos. [ 151 ]

Profesiones y organizaciones

A medida que el uso de las computadoras se ha extendido por toda la sociedad, cada vez hay más carreras profesionales relacionadas con la informática.

La necesidad de que los ordenadores funcionen bien juntos y puedan intercambiar información ha generado la necesidad de numerosas organizaciones de normalización, clubes y sociedades, tanto formales como informales.

Véase también

Notas

  1. ↑ Según Schmandt-Besserat (1981) , estos recipientes de arcilla contenían fichas, cuyo valor total indicaba la cantidad de objetos que se transferían. De este modo, los recipientes servían como una especie de conocimiento de embarque o libro de contabilidad. Para evitar que se rompieran, primero se colocaban impresiones de arcilla de las fichas en el exterior de los recipientes, para el conteo; las formas de las impresiones se abstraían en marcas estilizadas; finalmente, estas marcas abstractas se usaban sistemáticamente como numerales; estos numerales se formalizaban finalmente como números.Con el tiempo, las marcas en el exterior de los recipientes fueron suficientes para transmitir el conteo, y los recipientes de arcilla evolucionaron hasta convertirse en tablillas de arcilla con marcas para el conteo. Schmandt-Besserat (1999) estima que esto tomó 4000 años.
  2. ↑ El chip Intel 4004 (1971) tenía 12 mm²  ,compuesto por 2300 transistores; en comparación, el Pentium Pro tenía 306 mm² ,compuesto por 5,5millones de transistores. [ 117 ]  
  3. ↑ Según el Shorter Oxford English Dictionary (6.ª ed., 2007), la palabra computer se remonta a mediados del siglo XVII, cuando se refería a "Una persona que realiza cálculos; específicamente una persona empleada para ello en un observatorio, etc.".
  4. ↑ La mayoría de las principales arquitecturas de conjuntos de instrucciones de 64 bitsson extensiones de diseños anteriores. Todas las arquitecturas que aparecen en esta tabla, excepto Alpha, existían en versiones de 32 bits antes de que se introdujeran sus versiones de 64 bits.
  5. ↑ El papel de la unidad de control en la interpretación de instrucciones ha variado en el pasado. Si bien en la mayoría de las computadoras modernas la unidad de control es la única responsable de la interpretación de instrucciones, no siempre es así. Algunas computadoras tienen instrucciones que son interpretadas parcialmente por la unidad de control, y la interpretación final la realiza otro dispositivo. Por ejemplo, EDVAC , una de las primeras computadoras con programa almacenado, utilizaba una unidad de control central que interpretaba solo cuatro instrucciones. Todas las instrucciones relacionadas con la aritmética se transmitían a su unidad aritmética, donde se decodificaban.
  6. ↑ Las instrucciones suelen ocupar más de una dirección de memoria, por lo que el contador de programa generalmente aumenta en la cantidad de ubicaciones de memoria necesarias para almacenar una instrucción.
  7. ↑ La memoria flash también solo se puede reescribir un número limitado de veces antes de desgastarse, lo que la hace menos útil para un uso intensivo de acceso aleatorio. [ 129 ]
  8. ↑ Sin embargo, también es muy común construir supercomputadoras a partir de muchos componentes de hardware económicos; generalmente, computadoras individuales conectadas en red. Estos llamados clústeres de computadoras a menudo pueden proporcionar el rendimiento de una supercomputadora a un costo mucho menor que los diseños personalizados. Si bien las arquitecturas personalizadas todavía se utilizan para la mayoría de las supercomputadoras más potentes, en los últimos años se ha producido una proliferación de clústeres de computadoras. [ 134 ]
  9. ↑ Incluso algunos ordenadores posteriores se programaban habitualmente directamente en código máquina. Algunos miniordenadores, como el DEC PDP-8, podían programarse directamente desde un panel de interruptores. Sin embargo, este método se utilizaba normalmente solo como parte del proceso de arranque . La mayoría de los ordenadores modernos arrancan de forma totalmente automática leyendo un programa de arranque desde alguna memoria no volátil .
  10. ↑ No siempre es cierto que los errores se deban únicamente a descuidos del programador. El hardware informático puede fallar o presentar un problema fundamental que produzca resultados inesperados en determinadas situaciones. Por ejemplo, el error FDIV del Pentium provocó que algunos microprocesadores Intel, a principios de la década de 1990, arrojaran resultados inexactos en ciertas operaciones de división de punto flotante . Esto se debió a un fallo en el diseño del microprocesador y dio lugar a una retirada parcial de los dispositivos afectados.

Referencias

  1. ↑ Evans 2018 , pág. 23.
  2. ↑ Smith 2013 , pág. 6.
  3. ↑ "computadora (sust.)" . Diccionario etimológico en línea . Archivado del original el 16 de noviembre de 2016. Consultado el 19 de agosto de 2021 .
  4. ↑ Robson, Eleanor (2008). Matemáticas en el antiguo Irak . Princeton University Press. pág. 5. ISBN  978-0-691-09182-2.En Irak, los cálculos se utilizaban en sistemas de contabilidad primitivos ya entre el 3200 y el 3000 a. C., con sistemas de representación numérica específicos para cada producto. La contabilidad equilibrada se utilizaba entre el 3000 y el 2350 a. C., y un sistema numérico sexagesimal entre el 2350 y el 2000 a. C.
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