Computadores: Uma breve história

Dispositivos mecânicos para controlar operações complexas têm sido usados desde o século XVI, quando cilindros rotativos eram usados em caixas de música de forma muito semelhante a que são usados ainda hoje. Máquinas que calculam, ao contrário de simplesmente repetir uma melodia predeterminada, se tornaram realidade no século seguinte.

Blaise Pascal (1623-1662) desenvolveu uma calculadora mecânica para auxiliar na preparação dos impostos de seu pai. A calculadora de Pascal, "Pascalene" , contém oito discos conectados a um tambor (Figura 1.1), com uma ligação inovadora que faz com que o disco rode uma posição enquanto um excedente é produzido de um disco em uma posição inferior. Uma janela é colocada sobre o disco para permitir que sua posição atual seja observada, de forma semelhante a um odômetro de carro, com a exceção de que os discos são posicionados horizontalmente, como um disco de telefone rotativo. Algumas das máquinas de adição de Pascal, que começaram a ser produzidas em 1642, existem ate hoje. Seria necessário esperar até o século XIX, contudo, para que alguém juntasse os conceitos de controle mecânico e cálculo mecânico em uma máquina que hoje reconhecemos ter as partes básicas de um computador digital. Essa pessoa foi Charles Babbage.

Fig. 1.1: A máquina de calcular de Pascal.

Charles Babbage (1791-1871) é as vezes reconhecido como o avô do computador, em vez de pai do computador, porque ele nunca construiu uma versão prática das máquinas que projetou. Babbage viveu na Inglaterra em uma época em que tabelas matemáticas eram usadas em navegação e trabalho científico. As tabelas eram calculadas manualmente, e, como resultado, continham inúmeros erros. Frustrado com as imprecisões, Babbage projetou uma máquina que podia calcular tabelas simplesmente marcando e girando engrenagens. A máquina projetada poderia até mesmo produzir um disco que poderia ser usado em uma impressora, eliminando assim erros que poderiam ser introduzidos no processo de digitação.

As máquinas de Babbage tinham capacidade de ler dados de entrada, armazenar esses dados, fazer cálculos, gerar dados de saída e automaticamente controlar a operação da máquina. Funções básicas que são encontradas em quase todo computador moderno. Babbage criou um pequeno protótipo da sua máquina diferencial, que determinava polinomiais usando o método de diferenças finitas. O sucesso da máquina diferencial fez com que Babbage conseguisse apoio governamental para a máquina analítica, muito maior que a antecessora. Ela possuía um mecanismo para desviar (branching) e capacidade de programação, usando cartões perfurados da forma conhecida como Jacquard pattern-weaving loom.

A máquina analítica foi projetada mas nunca construída por Babbage porque as tolerâncias mecânicas exigidas pelo projeto não poderiam ser alcançadas coma tecnologia existente na época. Uma versão da máquina diferencial de Babbage foi efetivamente construída pelo Museu da Ciência em Londres em 1991 e pode ser vista ainda hoje.

Demorou mais de um século, até o início da Segunda Guerra Mundial, antes que o próximo avanço tenha sido alcançado em computação. Na Inglaterra, submarinos alemães U-boat infligiam pesadas perdas nos transportes navais aliados. Os U-boats recebiam comunicação de suas bases na Alemanha usando um código criptográfico implementado por uma máquina fabricada pela Siemens AG conhecida como ENIGMA.

O processo de codificar informação era conhecido há um longo tempo, e até mesmo o presidente dos Estados Unidos, Thomas Jefferson (1743-1826) projetou um predecessor da ENIGMA, muito embora ele não tenha construído a máquina. O processo de decodificar a informação codificada era significativamente mais complexo. F oi esse problema que gerou os esforços de Alan Turing (1912-1954) e outros cientistas na Inglaterra para criar máquinas capazes de quebrar os códigos de codificação. Durante a Segunda Guerra, Turing foi o mais proeminente especialista em criptografia da Inglaterra e estava entre aqueles que transformaram a criptografia, que era um assunto para pessoas que se interessavam por línguas antigas, em um assunto para matemáticos.

Colossus era uma máquina bem sucedida em decodificar mensagens que saiu de Bletchley Park, Inglaterra, onde Turing trabalhava. Tubos de vácuo armazenavam o conteúdo de uma fita de papel que era alimentada na máquina, e os cálculos aconteciam entre os tubos de vácuo e uma segunda fita lida pela máquina. A programação era feita com placas de conexão de fios. O envolvimento de Turing com as várias versões das máquinas Colossus continua obscuro devido ao segredo que envolve o projeto, mas alguns aspectos do seu trabalho e de sua vida podem ser vistos na peça da Broadway Quebrando o Código, que foi apresentada em Londres e Nova York no fim dos anos 80.

Aproximadamente no mesmo período do trabalho de Turing, J. Presper Eckert e John Mauchly projetaram uma máquina que poderia ser usada para calcular tabelas de trajetórias balísticas para o exército dos Estados Unidos. O resultado do trabalho de Eckert-Mauchly foi o Integrador e Computador Numérico Eletrônico (Electronic Numerical Integrator and Computer - ENIAC). O ENIAC consistia em 18.000 tubos de vácuo que eram a seção computacional da máquina. Programas e dados eram introduzidos por meio de interruptores e troca de cabos. Não existia um conceito de um programa armazenado, e não existia também uma unidade central de memória, mas essas não eram limitações sérias porque tudo que o ENIAC precisava fazer era calcular trajetórias balísticas. Apesar de não se tornar operacional até 1946, após o fim da guerra foi considerado um sucesso e utilizado por nove anos.

Após o sucesso do ENIAC, Eckert e Mauchly, que estavam na Moore School da University of Pennsylvania, tiveram o auxílio de John Von Neumann (1903-1957), do Institute for Advanced Study de Princeton. Juntos, eles trabalharam no projeto de um computador com armazenamento de programa chamado EDVAC. Um conflito entre eles, contudo, fez com que os grupos se separassem. O conceito de programa armazenado progrediu, em um modelo funcional do computador com o programa armazamado, o EDSAC, foi construído por Maurice Wilkes, da Cambridge University, em 1947.

Uma das razões para a quase extinção de supercomputadores é que computadores comuns alcançaram uma fração significativa do poder de um supercomputador a um custo que uma pessoa comum pode pagar. A relação preço-desempenho de computadores de mesa é muito favorável devido aos baixos custos alcançados através de vendas em grande escala. Os supercomputadores não dispõem de tal escala e continuam a sofrer na relação preço-desempenho.

Seguindo a contribuição de Kissell temos um texto de um artigo da Electrical Engineering Times que mostra como o enorme investimento no desenv olvimento de processadores de uso comum ajuda a manter a relação preço-desempenho favorável para computadores de mesa de baixo custo.

Da construção dos primeiros computadores programáveis até o meado da década de 1990, sempre existiu espaço para alguém com uma idéia inteligente, as vezes desafiadora, sobre como fazer uma máquina mais poderosa. Computação se tornou estratégica durante a Segunda Guerra, e continuou assim durante a Guerra F ria que a seguiu. Computação de alto desempenho é essencial para qualquer programa de armas nucleares moderno, e a " corrida" pela tecnologia computacional era um corolário lógico para a corrida armamentista. Muito embora computadores poderosos sejam de grande valor para muitos outros setores industriais, tais como prospecção de petróleo, química, medicina, aeronáutica, automóveis e engenharia civil, o papel de governos, particularmente dos laboratórios do governo americano, como catalisadores e incubadores para tecnologias computacionais inovadoras era significativamente maior. Indústrias privadas podem comprar mais máquinas, mas raramente correm o risco de comprar aquelas com números seriais de um único dígito. Com o fim do comunismo soviético e o fim da Guerra Fria, o mundo se tornou de forma geral mais seguro e próspero, mas isso removeu a razão de ser para muitos mercadores do desempenho-a-qualquer-preço.

Fig. 1.7: O computador Mark I da Manchester University, operacionalizado em 21 de junho de 1948. (Não confundir com o Mark I de Harvard, doado para a Harvard University pela IBM em agosto de 1944).

Ao mesmo tempo que essas mudanças geopolíticas estavam ocorrendo algumas tendências tecnológicas e econômicas aumentaram os problemas dos produtores de computadores de alto desempenho. Os microprocessadores surgiram na década de 1970 como dispositivos cuja principal característica era a de colocar um computador programável em um único pedaço de silício. Pressões competitivas e o desejo de aumentar as vendas forçando o sucateamento do produto do ano passado tornaram realidade a famosa "lei" de Moore, que diz que o poder computacional dos microprocessadores dobra a cada 18 meses. Ao longo do caminho os projetistas de microprocessadores aprenderam todos os truques usados por projetistas de computadores mainframe e supercomputadores numéricos que eram usados no passado : hierarquias de armazenamento, previsão de desvio (branch prediction), processamento SIMD e execução especulativa. Pela metade da década de 1990, as idéias de pesquisa iam direto da simulação para implementação em microprocessadores destinados as mesas da população em geral. Apesar disso, é importante notar que a maior parte dos ganhos em desempenho dos microprocessadores na década anterior não veio dessas técnicas avançadas de arquitetura de computadores, mas sim do simples aumento de velocidade dos processadores e do aumento quantitativo de recursos disponíveis para microprocessadores, graças a avanços na tecnologia de semicondutores. Por volta de 1998 a CPU de uma máquina Windows de alto desempenho rodava em um clock mais alto do que o melhor supercomputador Cray de 1994.

Não é surpreendente então que a política dos laboratórios nacionais americanos tenha mudado da aquisição de sistemas arquitetados desde o início para serem supercomputadores para aquisição de grandes quantidades de sistemas baseados em microprocessadores de uso geral, sendo que o projeto ASCI é um dos líderes dessa atividade. Até este artigo é uma incógnita se essas aglomerações provarem ser suficientemente estáveis e usáveis para o trabalho de produção. Os resultados preliminares têm sido satisfatórios. Os dias dourados de supercomputadores baseados em tecnologias exóticas e arquiteturas inovativas podem estar contados.

Texto extraído do livro: Introdução à Arquitetura de Computares - Miles J. Murdocca e Vincent P. Heuring - Editora Campus