Computador Atanasoff-Berry

O computador Atanasoff–Berry (ABC) foi o primeiro computador digital eletrônico automático. Limitado pela tecnologia da época e execução, o dispositivo permaneceu um tanto obscuro. A prioridade do ABC é debatida entre os historiadores da tecnologia de computadores, porque não era nem programável, nem Turing-completo. Convencionalmente, o ABC seria considerado a primeira ALU eletrônica (unidade lógica aritmética) - que é integrada ao design de todos os processadores modernos.

Sua contribuição única foi tornar a computação mais rápida por ser o primeiro a usar tubos de vácuo para fazer cálculos aritméticos. Antes disso, métodos eletromecânicos mais lentos eram usados pelo computador Z1 de Konrad Zuse e o Harvard Mark I desenvolvido simultaneamente. A primeira máquina eletrônica programável digital, o computador Colossus de 1943 a 1945, usava tubos semelhantes baseada em tecnologia como ABC.

Visão geral

Concebida em 1937, a máquina foi construída pelo professor de matemática e física do Iowa State College, John Vincent Atanasoff, com a ajuda do aluno de pós-graduação Clifford Berry. Ele foi projetado apenas para resolver sistemas de equações lineares e foi testado com sucesso em 1942. No entanto, seu mecanismo intermediário de armazenamento de resultados, um gravador/leitor de cartões de papel, não foi aperfeiçoado e, quando John Vincent Atanasoff deixou o Iowa State College para tarefas na Segunda Guerra Mundial, o trabalho na máquina foi interrompido. O ABC foi pioneiro em elementos importantes da computação moderna, incluindo aritmética binária e elementos de comutação eletrônica, mas sua natureza para fins especiais e a falta de um programa armazenado mutável o distinguem dos computadores modernos. O computador foi designado um IEEE Milestone em 1990.

O trabalho de computador de Atanasoff e Berry não era amplamente conhecido até ser redescoberto na década de 1960, em meio a disputas de patentes sobre a primeira instância de um computador eletrônico. Naquela época, o ENIAC, criado por John Mauchly e J. Presper Eckert, era considerado o primeiro computador no sentido moderno, mas em 1973 um Tribunal Distrital dos EUA invalidou a patente do ENIAC e concluiu que os inventores do ENIAC haviam derivado a assunto do computador digital eletrônico de Atanasoff. Quando, em meados da década de 1970, o sigilo em torno do desenvolvimento britânico da Segunda Guerra Mundial dos computadores Colossus anteriores ao ENIAC foi levantado e o Colossus foi descrito em uma conferência em Los Alamos, Novo México, em junho de 1976, John Mauchly e Konrad Zuse teria ficado surpreso.

Projeto e construção

Diagrama do ABC apontando seus vários componentes

De acordo com o relato de Atanasoff, vários princípios-chave do computador Atanasoff-Berry foram concebidos em um insight repentino após uma longa viagem noturna até Rock Island, Illinois, durante o inverno de 1937-1938. As inovações do ABC incluíram computação eletrônica, aritmética binária, processamento paralelo, memória de capacitores regenerativos e separação de funções de memória e computação. O projeto mecânico e lógico foi elaborado por Atanasoff no ano seguinte. Um pedido de subsídio para construir um protótipo de prova de conceito foi submetido em março de 1939 ao departamento de Agronomia, que também estava interessado em acelerar a computação para análises econômicas e de pesquisa. $ 5.000 de financiamento adicional (equivalente a $ 97.000 em 2021) para completar a máquina veio da Research Corporation sem fins lucrativos da cidade de Nova York.

O ABC foi construído por Atanasoff e Berry no porão do prédio de física do Iowa State College durante 1939–1942. Os fundos iniciais foram liberados em setembro, e o protótipo de 11 tubos foi demonstrado pela primeira vez em outubro de 1939. Uma demonstração em dezembro gerou uma doação para a construção da máquina em escala real. O ABC foi construído e testado ao longo dos próximos dois anos. Uma história de 15 de janeiro de 1941 no Des Moines Register anunciou o ABC como "uma máquina de computação elétrica" com mais de 300 tubos de vácuo que "computariam equações algébricas complicadas" (mas não deu nenhuma descrição técnica precisa do computador). O sistema pesava mais de setecentas libras (320 kg). Continha aproximadamente 1 milha (1,6 km) de fio, 280 válvulas de tríodo duplo, 31 thyratrons e tinha aproximadamente o tamanho de uma mesa.

Não era programável, o que o distingue de máquinas mais gerais da mesma época, como o Z3 de 1941 de Konrad Zuse (ou iterações anteriores) e os computadores Colossus de 1943–1945. Tampouco implementou a arquitetura de programa armazenado, implementada pela primeira vez no Manchester Baby de 1948, necessária para máquinas de computação práticas totalmente de uso geral.

Módulo de complemento (reconstruído) do computador Atanasoff-Berry

A máquina foi, no entanto, a primeira a implementar:

1. Usando tubos de vácuo, em vez de rodas, catracas, interruptores mecânicos ou relés de telefone, permitindo maior velocidade do que computadores anteriores
2. Usando capacitores para memória, em vez de componentes mecânicos, permitindo maior velocidade e densidade

A memória do computador Atanasoff-Berry era um sistema chamado memória de capacitores regenerativos, que consistia em um par de tambores, cada um contendo 1600 capacitores que giravam em um eixo comum uma vez por segundo. Os capacitores em cada tambor foram organizados em 32 "bandas" de 50 (30 bandas ativas e duas sobressalentes em caso de falha de um capacitor), dando à máquina uma velocidade de 30 adições/subtrações por segundo. Os dados foram representados como números de ponto fixo binário de 50 bits. A eletrônica da memória e as unidades aritméticas podem armazenar e operar em 60 desses números por vez (3.000 bits).

A frequência da linha de energia de corrente alternada de 60 Hz era a taxa de clock principal para as operações de nível mais baixo.

As funções lógicas aritméticas eram totalmente eletrônicas, implementadas com tubos de vácuo. A família de portas lógicas variou de inversores a portas de duas e três entradas. Os níveis de entrada e saída e as tensões de operação eram compatíveis entre as diferentes portas. Cada portão consistia em um amplificador de tubo de vácuo inversor, precedido por uma rede de entrada do divisor de resistor que definia a função lógica. As funções lógicas de controle, que só precisavam operar uma vez por rotação do tambor e, portanto, não exigiam velocidade eletrônica, eram eletromecânicas, implementadas com relés.

A ALU operava em apenas um bit de cada número por vez; ele manteve o bit de transporte/emprestar em um capacitor para uso no próximo ciclo AC.

Embora o computador Atanasoff-Berry tenha sido um avanço importante em relação às máquinas de calcular anteriores, ele não era capaz de executar um problema totalmente automático. Um operador era necessário para operar os interruptores de controle para configurar suas funções, bem como as calculadoras eletromecânicas e equipamentos de registro de unidade da época. A seleção da operação a ser executada, leitura, escrita, conversão de ou de binário para decimal, ou redução de um conjunto de equações era feita por interruptores do painel frontal e, em alguns casos, jumpers.

Havia duas formas de entrada e saída: entrada e saída primária do usuário e uma saída e entrada intermediária de resultados. O armazenamento de resultados intermediários permitiu a operação em problemas muito grandes para serem tratados inteiramente dentro da memória eletrônica. (O maior problema que poderia ser resolvido sem o uso da saída e da entrada intermediárias eram duas equações simultâneas, um problema trivial.)

Os resultados intermediários eram binários, escritos em folhas de papel pela modificação eletrostática da resistência em 1500 locais para representar 30 dos números de 50 bits (uma equação). Cada folha pode ser escrita ou lida em um segundo. A confiabilidade do sistema foi limitada a cerca de 1 erro em 100.000 cálculos dessas unidades, atribuído principalmente à falta de controle das folhas' características materiais. Em retrospecto, uma solução poderia ter sido adicionar um bit de paridade a cada número conforme escrito. Esse problema não foi resolvido quando Atanasoff deixou a universidade para trabalhos relacionados à guerra.

A entrada principal do usuário era decimal, por meio de cartões perfurados padrão de 80 colunas da IBM, e a saída era decimal, por meio de um visor do painel frontal.

Função

O ABC foi projetado para um propósito específico - a solução de sistemas de equações lineares simultâneas. Podia lidar com sistemas com até 29 equações, um problema difícil para a época. Problemas dessa escala estavam se tornando comuns na física, departamento em que trabalhava John Atanasoff. A máquina poderia alimentar duas equações lineares com até 29 variáveis e um termo constante e eliminar uma das variáveis. Esse processo seria repetido manualmente para cada uma das equações, o que resultaria em um sistema de equações com uma variável a menos. Então todo o processo seria repetido para eliminar outra variável.

George W. Snedecor, chefe do Departamento de Estatística do estado de Iowa, foi provavelmente o primeiro usuário de um computador digital eletrônico a resolver problemas matemáticos do mundo real. Ele apresentou muitos desses problemas a Atanasoff.

Disputa de patente

Em 26 de junho de 1947, J. Presper Eckert e John Mauchly foram os primeiros a registrar a patente de um dispositivo de computação digital (ENIAC), para grande surpresa de Atanasoff. O ABC foi examinado por John Mauchly em junho de 1941, e Isaac Auerbach, um ex-aluno de Mauchly, alegou que influenciou seu trabalho posterior no ENIAC, embora Mauchly negasse isso. A patente do ENIAC não foi emitida até 1964 e, em 1967, a Honeywell processou a Sperry Rand em uma tentativa de quebrar as patentes do ENIAC, argumentando que o ABC constituía o estado da técnica. O Tribunal Distrital dos Estados Unidos para o Distrito de Minnesota divulgou seu julgamento em 19 de outubro de 1973, concluindo em Honeywell v. Sperry Rand que a patente ENIAC era um derivado da invenção de John Atanasoff.

Campbell-Kelly e Aspray concluem:

A medida em que Mauchly desenhou as ideias de Atanasoff permanece desconhecida, e a evidência é enorme e conflitante. O ABC era tecnologia bastante modesta, e não foi totalmente implementado. Pelo menos podemos inferir que Mauchly viu o potencial significado do ABC e que isso pode ter levado ele a propor uma solução semelhante, eletrônica.

O caso foi resolvido legalmente em 19 de outubro de 1973, quando o juiz distrital dos Estados Unidos Earl R. Larson considerou a patente do ENIAC inválida, determinando que o ENIAC derivou muitas ideias básicas do computador Atanasoff-Berry. O juiz Larson declarou explicitamente:

Eckert e Mauchly não inventaram primeiro o computador digital eletrônico automático, mas em vez disso derivaram esse assunto de um Dr. John Vincent Atanasoff.

Herman Goldstine, um dos desenvolvedores originais do ENIAC escreveu:

Atanasoff contemplava o armazenamento dos coeficientes de uma equação em capacitores localizados na periferia de um cilindro. Ele aparentemente tinha um protótipo de sua máquina trabalhando "agora em 1940". Esta máquina foi, deve ser enfatizada, provavelmente o primeiro uso de tubos de vácuo para fazer computação digital e foi uma máquina de propósito especial. Esta máquina nunca viu a luz do dia como uma ferramenta séria para a computação, uma vez que foi um tanto prematuro em sua concepção de engenharia e limitado em sua lógica. No entanto, deve ser visto como um grande esforço pioneiro. Talvez sua principal importância fosse influenciar o pensamento de outro físico que estava muito interessado no processo computacional, John W. Mauchly. Durante o período do trabalho de Atanasoff em seu solucionador linear de equações, Mauchly estava no Ursinus College, uma pequena escola nos arredores de Filadélfia. De alguma forma, ele ficou ciente do projeto de Atanasoff e visitou-o por uma semana em 1941. Durante a visita, os dois homens aparentemente entraram nas ideias de Atanasoff em detalhes consideráveis. A discussão influenciou muito Mauchly e através dele toda a história de computadores eletrônicos.

Réplica

O ABC original acabou sendo desmontado em 1948, quando a universidade converteu o porão em salas de aula, e todas as suas peças, exceto um tambor de memória, foram descartadas.

Em 1997, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Dr. Delwyn Bluhm e John Gustafson do Ames Laboratory (localizado no campus da Iowa State University) terminou de construir uma réplica funcional do computador Atanasoff-Berry a um custo de $ 350.000 (equivalente a $ 591.000 em 2021). A réplica do ABC estava em exibição no saguão do primeiro andar do Durham Center for Computation and Communication na Iowa State University e foi posteriormente exibida no Computer History Museum.