Computadora Atanasoff-Berry

La computadora Atanasoff-Berry (ABC) fue la primera computadora digital electrónica automática. Limitado por la tecnología del día y la ejecución, el dispositivo ha permanecido algo oscuro. La prioridad del ABC se debate entre los historiadores de la tecnología informática, porque no era programable ni completo de Turing. Convencionalmente, el ABC se consideraría la primera ALU (unidad lógica aritmética) electrónica, que está integrada en el diseño de todos los procesadores modernos.

Su contribución única fue hacer que la computación fuera más rápida al ser el primero en usar tubos de vacío para hacer los cálculos aritméticos. Antes de esto, los métodos electromecánicos más lentos fueron utilizados por Konrad Zuse's Z1, y el Harvard Mark I desarrollado simultáneamente. La primera máquina digital programable, electrónica, la computadora Colossus de 1943 a 1945, usó similar basado en tubo tecnología como ABC.

Resumen

Concebida en 1937, la máquina fue construida por el profesor de física y matemáticas del Iowa State College, John Vincent Atanasoff, con la ayuda del estudiante graduado Clifford Berry. Fue diseñado solo para resolver sistemas de ecuaciones lineales y se probó con éxito en 1942. Sin embargo, su mecanismo de almacenamiento de resultados intermedios, un escritor/lector de tarjetas de papel, no se perfeccionó, y cuando John Vincent Atanasoff dejó el Iowa State College para las asignaciones de la Segunda Guerra Mundial, se interrumpió el trabajo en la máquina. El ABC fue pionero en elementos importantes de la informática moderna, incluida la aritmética binaria y los elementos de conmutación electrónica, pero su naturaleza de propósito especial y la falta de un programa almacenado modificable lo distinguen de las computadoras modernas. La computadora fue designada IEEE Milestone en 1990.

El trabajo informático de Atanasoff y Berry no fue ampliamente conocido hasta que fue redescubierto en la década de 1960, en medio de disputas de patentes sobre la primera instancia de una computadora electrónica. En ese momento, ENIAC, que había sido creado por John Mauchly y J. Presper Eckert, se consideraba la primera computadora en el sentido moderno, pero en 1973 un tribunal de distrito de EE. UU. invalidó la patente de ENIAC y concluyó que los inventores de ENIAC habían obtenido la tema de la computadora digital electrónica de Atanasoff. Cuando, a mediados de la década de 1970, se levantó el secreto que rodeaba el desarrollo británico de las computadoras Colossus en la Segunda Guerra Mundial que eran anteriores a ENIAC y Colossus se describió en una conferencia en Los Álamos, Nuevo México, en junio de 1976, John Mauchly y Se informó que Konrad Zuse estaba asombrado.

Diseño y construcción

Diagrama de la ABC señalando sus diversos componentes

Según el relato de Atanasoff, varios principios clave de la computadora Atanasoff-Berry se concibieron de repente después de un largo viaje nocturno a Rock Island, Illinois, durante el invierno de 1937-1938. Las innovaciones de ABC incluyeron computación electrónica, aritmética binaria, procesamiento paralelo, memoria de condensador regenerativo y una separación de las funciones de memoria y computación. Atanasoff elaboró el diseño mecánico y lógico durante el año siguiente. En marzo de 1939 se presentó una solicitud de subvención para construir un prototipo de prueba de concepto al departamento de Agronomía, que también estaba interesado en acelerar la computación para el análisis económico y de investigación. $ 5,000 de financiamiento adicional (equivalente a $ 97,000 en 2021) para completar la máquina provinieron de Research Corporation sin fines de lucro de la ciudad de Nueva York.

El ABC fue construido por Atanasoff y Berry en el sótano del edificio de física del Iowa State College entre 1939 y 1942. Los fondos iniciales se liberaron en septiembre y el prototipo de 11 tubos se demostró por primera vez en octubre de 1939. Una demostración en diciembre provocó una subvención para la construcción de la máquina a gran escala. El ABC fue construido y probado durante los próximos dos años. Una historia del 15 de enero de 1941 en el Des Moines Register anunció que el ABC era "una máquina de computación eléctrica" con más de 300 tubos de vacío que "calcularían ecuaciones algebraicas complicadas" (pero no dio una descripción técnica precisa de la computadora). El sistema pesaba más de setecientas libras (320 kg). Contenía aproximadamente 1 milla (1,6 km) de cable, 280 tubos de vacío de doble triodo, 31 tiratrones y tenía aproximadamente el tamaño de un escritorio.

No era programable, lo que lo distingue de máquinas más generales de la misma época, como el Z3 de 1941 de Konrad Zuse (o iteraciones anteriores) y las computadoras Colossus de 1943-1945. Tampoco implementó la arquitectura de programa almacenado, implementada por primera vez en el Manchester Baby de 1948, requerida para máquinas informáticas prácticas de propósito general.

Módulo adicional (reconstruido) del ordenador Atanasoff–Berry

Sin embargo, la máquina fue la primera en implementar:

1. Usando tubos de vacío, en lugar de ruedas, trinquetes, interruptores mecánicos o relés telefónicos, permitiendo una mayor velocidad que los ordenadores anteriores
2. Usando condensadores para la memoria, en lugar de componentes mecánicos, permitiendo una mayor velocidad y densidad

La memoria de la computadora Atanasoff-Berry era un sistema llamado memoria de condensador regenerativo, que consistía en un par de tambores, cada uno con 1600 condensadores que giraban sobre un eje común una vez por segundo. Los condensadores de cada tambor se organizaron en 32 "bandas" de 50 (30 bandas activas y dos de repuesto en caso de que falle un capacitor), dando a la máquina una velocidad de 30 sumas/sustracciones por segundo. Los datos se representaron como números binarios de punto fijo de 50 bits. La electrónica de la memoria y las unidades aritméticas podrían almacenar y operar con 60 de esos números a la vez (3000 bits).

La frecuencia de la línea eléctrica de corriente alterna de 60 Hz fue la frecuencia de reloj principal para las operaciones de nivel más bajo.

Las funciones de lógica aritmética eran completamente electrónicas, implementadas con tubos de vacío. La familia de compuertas lógicas abarcaba desde inversores hasta compuertas de dos y tres entradas. Los niveles de entrada y salida y los voltajes de operación fueron compatibles entre las diferentes puertas. Cada puerta constaba de un amplificador de tubo de vacío inversor, precedido por una red de entrada de divisor de resistencia que definía la función lógica. Las funciones lógicas de control, que solo necesitaban operar una vez por rotación del tambor y, por lo tanto, no requerían velocidad electrónica, eran electromecánicas, implementadas con relés.

La ALU operaba solo con un bit de cada número a la vez; mantuvo el bit de acarreo/préstamo en un capacitor para usarlo en el siguiente ciclo de CA.

Aunque la computadora Atanasoff-Berry fue un paso importante respecto de las máquinas calculadoras anteriores, no podía ejecutar de forma totalmente automática un problema completo. Se necesitaba un operador para operar los interruptores de control para configurar sus funciones, al igual que las calculadoras electromecánicas y el equipo de registro de unidades de la época. La selección de la operación a realizar, lectura, escritura, conversión de binario a decimal o reducción de un conjunto de ecuaciones se realizó mediante interruptores en el panel frontal y, en algunos casos, puentes.

Había dos formas de entrada y salida: entrada y salida del usuario principal y salida y entrada de resultados intermedios. El almacenamiento de resultados intermedios permitió la operación en problemas demasiado grandes para ser manejados completamente dentro de la memoria electrónica. (El mayor problema que podía resolverse sin el uso de la salida y la entrada intermedias eran dos ecuaciones simultáneas, un problema trivial).

Los resultados intermedios fueron binarios, escritos en hojas de papel mediante la modificación electrostática de la resistencia en 1500 ubicaciones para representar 30 de los números de 50 bits (una ecuación). Cada hoja se podía escribir o leer en un segundo. La confiabilidad del sistema se limitó a alrededor de 1 error en 100 000 cálculos realizados por estas unidades, principalmente atribuido a la falta de control de las hojas' características materiales. En retrospectiva, una solución podría haber sido agregar un bit de paridad a cada número tal como está escrito. Este problema no se resolvió cuando Atanasoff dejó la universidad por trabajos relacionados con la guerra.

La entrada principal del usuario era decimal, a través de tarjetas perforadas estándar de 80 columnas de IBM, y la salida era decimal, a través de una pantalla en el panel frontal.

Función

El ABC se diseñó con un propósito específico: la solución de sistemas de ecuaciones lineales simultáneas. Podía manejar sistemas con hasta 29 ecuaciones, un problema difícil para la época. Problemas de esta escala se estaban volviendo comunes en la física, el departamento en el que trabajaba John Atanasoff. La máquina podía alimentar dos ecuaciones lineales con hasta 29 variables y un término constante y eliminar una de las variables. Este proceso se repetiría manualmente para cada una de las ecuaciones, lo que daría como resultado un sistema de ecuaciones con una variable menos. Luego se repetiría todo el proceso para eliminar otra variable.

George W. Snedecor, director del Departamento de Estadística del estado de Iowa, fue muy probablemente el primer usuario de una computadora digital electrónica para resolver problemas matemáticos del mundo real. Presentó muchos de estos problemas a Atanasoff.

Disputa de patente

El 26 de junio de 1947, J. Presper Eckert y John Mauchly fueron los primeros en solicitar la patente de un dispositivo informático digital (ENIAC), para sorpresa de Atanasoff. El ABC había sido examinado por John Mauchly en junio de 1941, e Isaac Auerbach, un ex alumno de Mauchly, alegó que influyó en su trabajo posterior en ENIAC, aunque Mauchly lo negó. La patente ENIAC no se emitió hasta 1964, y en 1967 Honeywell demandó a Sperry Rand en un intento de violar las patentes ENIAC, argumentando que el ABC constituía un estado de la técnica. El Tribunal de Distrito de los Estados Unidos para el Distrito de Minnesota emitió su sentencia el 19 de octubre de 1973 y encontró en Honeywell v. Sperry Rand que la patente ENIAC era un derivado de la invención de John Atanasoff.

Campbell-Kelly y Aspray concluyen:

La medida en que Mauchly dibujó sobre las ideas de Atanasoff sigue siendo desconocida, y la evidencia es masiva y conflictiva. La ABC era una tecnología bastante modesta, y no se implementó completamente. Al menos podemos inferir que Mauchly vio la importancia potencial de la ABC y que esto puede haberle llevado a proponer una solución similar, electrónica.

El caso se resolvió legalmente el 19 de octubre de 1973, cuando el juez de distrito de EE. UU. Earl R. Larson declaró inválida la patente de ENIAC y dictaminó que ENIAC derivó muchas ideas básicas de la computadora Atanasoff-Berry. El juez Larson declaró explícitamente:

Eckert y Mauchly no inventaron primero la computadora digital electrónica automática, sino que derivaron esa materia de un Dr. John Vincent Atanasoff.

Herman Goldstine, uno de los desarrolladores originales de ENIAC escribió:

Atanasoff contemplaba almacenar los coeficientes de una ecuación en condensadores ubicados en la periferia de un cilindro. Aparentemente tenía un prototipo de su máquina trabajando "en 1940". Esta máquina fue, debe destacarse, probablemente el primer uso de tubos de vacío para hacer la computación digital y fue una máquina de uso especial. Esta máquina nunca vio la luz del día como una herramienta seria para la computación ya que era algo prematuro en su concepción de ingeniería y limitado en su lógica. No obstante, debe considerarse como un gran esfuerzo pionero. Quizás su importancia principal era influir en el pensamiento de otro físico que estaba muy interesado en el proceso computacional, John W. Mauchly. Durante el período del trabajo de Atanasoff en su solucionador de ecuación lineal, Mauchly estaba en Ursinus College, una pequeña escuela en los alrededores de Filadelfia. De alguna manera se dio cuenta del proyecto de Atanasoff y lo visitó durante una semana en 1941. Durante la visita los dos hombres aparentemente entraron en las ideas de Atanasoff con considerable detalle. La discusión influyó enormemente a Mauchly y a través de él toda la historia de las computadoras electrónicas.

Réplica

El ABC original finalmente se desmanteló en 1948, cuando la universidad convirtió el sótano en aulas y todas sus piezas, excepto un tambor de memoria, se desecharon.

En 1997, un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Delwyn Bluhm y John Gustafson del Laboratorio Ames (ubicado en el campus de la Universidad Estatal de Iowa) terminó de construir una réplica funcional de la computadora Atanasoff-Berry a un costo de $350,000 (equivalente a $591,000 en 2021). La réplica de ABC se exhibió en el vestíbulo del primer piso del Centro de Computación y Comunicación de Durham en la Universidad Estatal de Iowa y posteriormente se exhibió en el Museo de Historia de la Computación.