Computadora de tubos de vacío

Una computadora de tubos de vacío , ahora denominada computadora de primera generación , es una computadora que utiliza tubos de vacío para circuitos lógicos. Si bien la historia de las ayudas mecánicas para la computación se remonta a siglos , si no milenios , la historia de las computadoras de tubos de vacío se limita a mediados del siglo XX. Lee De Forest inventó el triodo en 1906. El primer ejemplo del uso de tubos de vacío para la computación, la computadora Atanasoff-Berry , se demostró en 1939. Las computadoras de tubos de vacío fueron inicialmente diseños únicos, pero los modelos comerciales se introdujeron en la década de 1950 y se vendieron en volúmenes que iban desde unas pocas unidades hasta miles. A principios de la década de 1960, las computadoras de tubos de vacío estaban obsoletas, reemplazadas por las computadoras transistorizadas de segunda generación .

Gran parte de lo que hoy consideramos computación digital evolucionó durante la era de las válvulas de vacío. Inicialmente, las computadoras de válvulas de vacío realizaban las mismas operaciones que las computadoras mecánicas anteriores, pero a velocidades mucho mayores. Los engranajes y los relés mecánicos funcionan en milisegundos, mientras que las válvulas de vacío pueden conmutar en microsegundos. El primer avance significativo con respecto a lo que era posible antes de las válvulas de vacío fue la incorporación de grandes memorias que podían almacenar miles de bits de datos y acceder a ellos aleatoriamente a alta velocidad. Esto, a su vez, permitió almacenar instrucciones de máquina en la misma memoria que los datos: el concepto de programa almacenado , un avance que hoy es un sello distintivo de las computadoras digitales.

Otras innovaciones incluyeron el uso de cinta magnética para almacenar grandes volúmenes de datos de forma compacta ( UNIVAC I ) y la introducción del almacenamiento secundario de acceso aleatorio ( IBM RAMAC 305 ), antecesor directo de todos los discos duros que usamos hoy en día. Incluso los gráficos por computadora comenzaron durante la era de las válvulas de vacío con el grabador de datos CRT IBM 740 y el lápiz óptico Whirlwind . Los lenguajes de programación se originaron en la era de las válvulas de vacío, incluyendo algunos que todavía se usan hoy como Fortran y Lisp ( IBM 704 ), Algol ( Z22 ) y COBOL. Los sistemas operativos, como el GM-NAA I/O , también nacieron en esta era.

En 1918, Eccles y Jordan describieron el uso de amplificadores de tubos de vacío acoplados en cruz para producir una secuencia de pulsos. Este circuito se convirtió en la base del biestable , un circuito con dos estados que se convirtió en el elemento fundamental de las computadoras digitales binarias electrónicas.

La computadora Atanasoff-Berry , cuyo prototipo se presentó por primera vez en 1939, es reconocida actualmente como la primera computadora de tubos de vacío. ^{[ 1 ]} Sin embargo, no era una computadora de propósito general, ya que solo podía resolver un sistema de ecuaciones lineales , y tampoco era muy confiable.

Durante la Segunda Guerra Mundial, se utilizaron computadoras digitales de tubos de vacío de propósito especial, como Colossus, para descifrar los códigos de teletipo alemanes conocidos como Fish . La inteligencia militar recopilada por estos sistemas fue esencial para el esfuerzo bélico aliado. Al final de la guerra, diez Colossus Mark II estaban en funcionamiento en Bletchley Park ; reemplazaron a la Heath Robinson . Cada Colossus utilizaba 1600 tubos de vacío (Mark I) o 2400 tubos de vacío (Mark II). ^{[ 1 ]} El descifrado de códigos en Bletchley Park durante la guerra se mantuvo en secreto hasta la década de 1970. ^{[ 1 ]}

Durante la guerra, Konrad Zuse también desarrolló computadoras binarias electromecánicas . El estamento militar alemán no priorizó el desarrollo informático durante el conflicto. En 1942 se desarrolló un circuito experimental de computadora electrónica con alrededor de 100 tubos, pero fue destruido en un bombardeo aéreo.

En Estados Unidos, el desarrollo de la computadora ENIAC comenzó a finales de la Segunda Guerra Mundial. La máquina se completó en 1945. Si bien una de las aplicaciones que impulsó su desarrollo fue la elaboración de tablas de tiro para artillería, uno de los primeros usos de ENIAC fue realizar cálculos relacionados con el desarrollo de una bomba de hidrógeno . Inicialmente, ENIAC se programaba con placas de conexiones e interruptores en lugar de un programa almacenado electrónicamente. Una serie de conferencias posteriores a la guerra que revelaban el diseño de ENIAC, y un informe de John von Neumann sobre un posible sucesor de ENIAC, titulado « Primer borrador de un informe sobre la EDVAC» , tuvieron una amplia difusión e influyeron en el diseño de las computadoras de tubos de vacío de la posguerra.

Las primeras máquinas que se usaban para tabular tarjetas perforadas solo podían sumar y restar. En 1931, IBM presentó una perforadora multiplicadora electromecánica, la IBM 601. Después de la Segunda Guerra Mundial, IBM fabricó una versión, la 603 , que utilizaba tubos de vacío para realizar los cálculos. ^{[ 2 ]} Sorprendida por la demanda del mercado, IBM presentó en 1948 una versión más compacta, la 604 , que utilizaba 1250 tubos de vacío en miniatura en módulos extraíbles. Mucho más rápida que la 601, podía dividir y realizar hasta 60 pasos de programa en un ciclo de tarjeta. Se alquilaron o vendieron unas 5400 unidades, lo que la convirtió en la primera aplicación comercial exitosa de la computación electrónica.

La Ferranti Mark 1 (1951) está considerada la primera computadora comercial de válvulas con programa almacenado. Las primeras computadoras producidas en masa fueron la Bull Gamma 3 (1952, 1200 unidades) y la IBM 650 (1954, 2000 unidades).

La tecnología de tubos de vacío requería mucha electricidad. La computadora ENIAC (1946) tenía más de 17 000 tubos y sufría una falla en uno de ellos (que tardaba 15  minutos en localizarse) en promedio cada dos días. En funcionamiento, la ENIAC consumía 150  kilovatios de potencia, ^{[ 3 ]} de los cuales 80  kilovatios se utilizaban para calentar los tubos, 45  kilovatios para las fuentes de alimentación de CC, 20  kilovatios para los ventiladores y 5  kilovatios para el equipo auxiliar de tarjetas perforadas.

Dado que el fallo de cualquiera de los miles de tubos de un ordenador podía provocar errores, la fiabilidad de los tubos era de suma importancia. Se fabricaban tubos de calidad especial para el mantenimiento de ordenadores, con estándares de materiales, inspección y pruebas más elevados que los tubos receptores estándar.

Un efecto del funcionamiento digital que rara vez se presentaba en los circuitos analógicos era el envenenamiento del cátodo . Los tubos de vacío que funcionaban durante intervalos prolongados sin corriente de placa desarrollaban una capa de alta resistividad en los cátodos, lo que reducía la ganancia del tubo. Para evitar este efecto, se requerían materiales especialmente seleccionados para los tubos de computadora. Para evitar las tensiones mecánicas asociadas con el calentamiento de los tubos a la temperatura de funcionamiento, a menudo se aplicaba lentamente la tensión máxima de funcionamiento a los calentadores de los tubos, durante un minuto o más, para prevenir fracturas relacionadas con la tensión en los calentadores del cátodo. Para evitar ciclos térmicos, la alimentación del calentador podía permanecer encendida durante el tiempo de espera de la máquina, con las fuentes de alimentación de placa de alta tensión apagadas. Las pruebas marginales se incorporaban a los subsistemas de una computadora de tubos de vacío; al reducir las tensiones de placa o del calentador y comprobar su correcto funcionamiento, se podían detectar componentes con riesgo de fallo prematuro. Para regular todas las tensiones de la fuente de alimentación y evitar que las sobretensiones y caídas de la red eléctrica afectaran el funcionamiento de la computadora, la energía se obtenía de un grupo electrógeno que mejoraba la estabilidad y la regulación de las tensiones de la fuente de alimentación.

En la construcción de ordenadores de tubos de vacío se utilizaron dos tipos principales de circuitos lógicos. El tipo "asíncrono" o de acoplamiento directo en CC utilizaba únicamente resistencias para conectar las puertas lógicas entre sí y dentro de las propias puertas. Los niveles lógicos se representaban mediante dos voltajes muy separados. En el tipo de lógica "síncrona" o de "pulso dinámico", cada etapa se acoplaba mediante redes de pulsos, como transformadores o condensadores. A cada elemento lógico se le aplicaba un pulso de "reloj". Los estados lógicos se representaban mediante la presencia o ausencia de pulsos durante cada intervalo de reloj. Los diseños asíncronos podían operar potencialmente más rápido, pero requerían más circuitos para protegerse contra las "carreras" lógicas, ya que las diferentes rutas lógicas tendrían diferentes tiempos de propagación desde la entrada hasta la salida estable. Los sistemas síncronos evitaban este problema, pero necesitaban circuitos adicionales para distribuir una señal de reloj, que podía tener varias fases para cada etapa de la máquina. Las etapas lógicas de acoplamiento directo eran algo sensibles a la deriva en los valores de los componentes o a pequeñas corrientes de fuga, pero la naturaleza binaria de la operación proporcionaba a los circuitos un margen considerable contra el mal funcionamiento debido a la deriva. ^{[ 4 ]} Un ejemplo de una computadora "pulso" (síncrona) fue la MIT Whirlwind . Las computadoras IAS ( ILLIAC y otras) utilizaban etapas lógicas asíncronas de acoplamiento directo.

Las computadoras de válvulas utilizaban principalmente triodos y pentodos como elementos de conmutación y amplificación. Al menos una válvula de control especialmente diseñada tenía dos rejillas de control con características similares, lo que le permitía implementar directamente una puerta AND de dos entradas . ^{[ 4 ]} En ocasiones se utilizaban tiratrones , por ejemplo, para controlar dispositivos de E/S o para simplificar el diseño de biestables y registros de retención. A menudo, las computadoras de válvulas de vacío utilizaban ampliamente diodos de estado sólido ("cristal") para realizar funciones lógicas AND y OR , y solo utilizaban válvulas de vacío para amplificar señales entre etapas o para construir elementos como biestables, contadores y registros. Los diodos de estado sólido reducían el tamaño y el consumo de energía de la máquina en general.

La referencia de 1950, Dispositivos de computación de alta velocidad, describe varias formas de almacenar números utilizando tecnología contemporánea, con el objetivo de minimizar la cantidad de tubos de vacío (costosos) ( elección óptima de la base ). Los números se pueden almacenar como el estado de un contador de anillo compuesto por varios triodos . Los contadores de anillo grandes con r estados requerían 2 r triodos dispuestos como r flip-flops , como en los contadores decimales de ENIAC , ^{[ 5 ] : 23–25} que usan 20 triodos por dígito decimal. Los contadores de anillo pequeños con r menos de aproximadamente 7 estados requieren r triodos. ^{[ 6 ] : 22–23} Algunas computadoras de tubos posteriores aprovechan este hecho y usan 7 triodos por dígito decimal, usando decimal codificado biquinario (un contador de anillo de 5 estados y un contador de anillo de 2 estados).

Algunas computadoras de tubos, como la computadora Harwell Dekatron , utilizan un solo tubo Decatron por cada dígito decimal.

Algunas computadoras de tubos de vacío, como la SEAC y la Bull Gamma 3, utilizaban ampliamente diodos de contacto puntual de estado sólido ("cristal") de germanio para realizar funciones lógicas AND y OR mediante lógica de diodo-resistencia (DRL) y también lógica de diodo-transistor (DTL). Los diodos de estado sólido reducían el tamaño y el consumo de energía de la máquina en general.

Los primeros sistemas emplearon diversas tecnologías de memoria antes de decantarse finalmente por la memoria de núcleo magnético . La computadora Atanasoff-Berry de 1942 almacenaba valores numéricos como números binarios en un tambor mecánico giratorio, con un circuito especial que actualizaba esta memoria "dinámica" en cada revolución. La ENIAC, de tiempos de guerra , podía almacenar 20 números, pero los registros de tubos de vacío que utilizaba eran demasiado caros para almacenar más de unos pocos. Una computadora con programa almacenado era inalcanzable hasta que se pudiera desarrollar una forma de memoria económica.

En 1944, J. Presper Eckert propuso utilizar memoria de línea de retardo de mercurio en un sucesor del ENIAC , que se convertiría en el EDVAC . Eckert ya había trabajado con memoria de línea de retardo para el procesamiento de señales de radar. Maurice Wilkes construyó el EDSAC en 1947, que contaba con una memoria de línea de retardo de mercurio capaz de almacenar 32  palabras de 17  bits cada una. Dado que la memoria de línea de retardo estaba inherentemente organizada en serie, la lógica de la máquina también era bit-serial. ^{[ 7 ]} Eckert y John Mauchly utilizaron esta tecnología en el UNIVAC I de 1951 y recibieron una patente para la memoria de línea de retardo en 1953. Los bits en una línea de retardo se almacenan como ondas sonoras en el medio, que viajan a una velocidad constante. El UNIVAC  I (1951) utilizaba siete unidades de memoria, cada una con 18 columnas de mercurio, que almacenaban 120  bits cada una. Esto proporcionaba una memoria de 1000 palabras de 12 caracteres con un tiempo de acceso promedio de 300  microsegundos. ^{[ 8 ]} Este subsistema de memoria formó su propia habitación transitable.

Los tubos Williams fueron el primer dispositivo de memoria de acceso aleatorio verdadero . El tubo Williams muestra una cuadrícula de puntos en un tubo de rayos catódicos (CRT), creando una pequeña carga de electricidad estática sobre cada punto. La carga en la ubicación de cada punto es leída por una delgada lámina de metal justo delante de la pantalla. Frederic Calland Williams y Tom Kilburn solicitaron patentes para el tubo Williams en 1946. El tubo Williams era mucho más rápido que la línea de retardo, pero sufría problemas de fiabilidad. El UNIVAC 1103 utilizaba 36 tubos Williams con una capacidad de 1024  bits cada uno, lo que proporcionaba una memoria de acceso aleatorio total de 1024  palabras de 36  bits cada una. El tiempo de acceso para la memoria de tubos Williams en el IBM 701 era de 30  microsegundos. ^{[ 8 ]}

La memoria de tambor magnético fue inventada en 1932 por Gustav Tauschek en Austria. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Un tambor consistía en un gran cilindro metálico que giraba rápidamente y estaba recubierto con un material de grabación ferromagnético . La mayoría de los tambores tenían una o más filas de cabezales fijos de lectura/escritura a lo largo del eje longitudinal del tambor para cada pista. El controlador del tambor seleccionaba el cabezal adecuado y esperaba a que aparecieran los datos debajo de él mientras el tambor giraba. El IBM  650 tenía una memoria de tambor de 1000 a 4000 palabras de 10 dígitos con un tiempo de acceso promedio de 2,5  milisegundos.

La memoria de núcleo magnético fue patentada por An Wang en 1951. Utiliza pequeños núcleos magnéticos anulares, a través de los cuales se insertan cables para escribir y leer información. Cada núcleo representa un bit de información. Los núcleos pueden magnetizarse de dos maneras diferentes (en sentido horario o antihorario), y el bit almacenado en un núcleo es cero o uno dependiendo de la dirección de magnetización de dicho núcleo. Los cables permiten configurar un núcleo individual a uno o cero y cambiar su magnetización enviando pulsos de corriente eléctrica apropiados a través de cables seleccionados. La memoria de núcleo ofrecía acceso aleatorio y mayor velocidad, además de una fiabilidad mucho mayor. Rápidamente se implementó en computadoras como la MIT/IBM Whirlwind , donde se instalaron inicialmente 1024 palabras de memoria de 16 bits en sustitución de los tubos Williams. Asimismo, la UNIVAC 1103 se actualizó a la 1103A en 1956, con memoria de núcleo en sustitución de los tubos Williams. La memoria de núcleo utilizada en la 1103 tenía un tiempo de acceso de 10  microsegundos. ^{[ 8 ]}

En la década de 1950, la computadora electrónica evolucionó de un proyecto de investigación a un producto comercial, con diseños comunes y múltiples copias fabricadas, ^{[ 11 ]} dando inicio así a una nueva e importante industria. Las primeras máquinas comerciales utilizaban tubos de vacío y diversas tecnologías de memoria, convergiendo hacia el núcleo magnético a finales de la década.

Muchas de las primeras máquinas comerciales derivaban de las máquinas únicas y fueron diseñadas para realizar cálculos matemáticos rápidos necesarios para fines científicos, de ingeniería y militares. Sin embargo, algunas fueron diseñadas para el procesamiento de datos generado por el amplio ecosistema de tarjetas perforadas existente . IBM, en particular, dividió sus computadoras en líneas científicas y comerciales, que compartían tecnología electrónica y periféricos, pero tenían arquitecturas de conjuntos de instrucciones y software completamente incompatibles. Esta práctica continuó en sus máquinas de segunda generación (transistorizadas), hasta la reunificación con el proyecto IBM System/360 . Véase la serie IBM 700/7000.

A continuación se muestra una lista de estos ordenadores comerciales de primera generación.

• Historia del hardware informático
• Lista de computadoras de tubos de vacío
• tubos de vacío de computadora
• Computadora de programa almacenado