ARGOMENTI
•
ANTECEDENTI CONCETTUALI E TENOLOGICI
•
LA SOLUZIONE “DEFINITIVA”: STORED PROGRAM
COMPUTER
•
IL PRIMO “BOOM” INFORMATICO
•
CENNI SULLE MACCHINE DI TURING
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1
John von Neumann
(1903 - 1957)
La celebre “bozza” in cui viene
descritta la “architettura di
von Neumann” (giugno 1945).
Il punto qualificante del
progetto consiste nel
funzionamento in base al
programma registrato in
memoria (Stored Program
Computer) e capace di
automodificarsi durante
l’esecuzione.
Il computer EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) fu costruito faticosamente alla Moore School dopo
l’esodo dei protagonisti dell’ENIAC. Divenne operativo appena nel 1951 presso il Laboratorio di ricerche balistiche
dell’esercito dove rimase in servizio fino al 1962. Von Neumann, comunque, non prese parte al progetto, dedicandosi
invece allo “IAS Computer”
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I COMPUTER DI MANCHESTER Quando l’architettura di von Neumann divenne di dominio pubblico,
negli USA e in Inghilterra si misero in moto una decina di progetti per realizzarla in pratica, anche con l’intenzione di
“arrivare primi”. Seppure di stretta misura, la palma del primato cronologico toccò all’Università di Manchester,
grazie alla scelta di non mirare subito al grande computer, bensì a una macchina minimale ma completa, da realizzare
nel minor tempo possibile; non per nulla fu chiamata la baby machine.
Questa targa in pietra, affissa alla parete del vecchio laboratorio di fisica dell’università
di Manchester, può essere considerata il “certificato di nascita” (21 giugno 1948) del
moderno computer elettronico a programma memorizzato (Stored Program Computer).
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I COMPUTER DI MANCHESTER
F.C. Williams, a destra, e Tom Kilburn davanti alla memoria elettrostatica a tubo catodico (inventata e
brevettata dallo stesso Williams, da cui la denominazione di “tubo di Williams”) che era uno dei punti di
forza del computer di Manchester.
Questo tipo di memoria e quello a linea di ritardo elettroacustica furono le due soluzioni adottate nei
computer pionieristici.
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I COMPUTER DI MANCHESTER
Il programma “inaugurale” preparato
per il test della macchina baby
machine e sopravvissuto in quaderno
di laboratorio.
Il programma vero e proprio, scritto
in linguaggio macchina e codificato
bit per bit, si trova nelle due colonne
sulla destra.
La macchina baby era veramente
spartana: RAM di 32 parole di 8 bit
ciascuna (il programma ne usa solo
27) il cui contenuto iniziale
(istruzioni e dati numerici) veniva
impostato parola per parola e bit per
bit mediante una pulsantiera di 8
switch.
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I COMPUTER DI MANCHESTER
L’aspetto confusionale del laboratorio di fisica, durante la realizzazione del prototipo
“grande” (Mark I), successivo alla macchina baby.
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6
I COMPUTER DI MANCHESTER
Il prototipo sviluppato dall’università fu ingegnerizzato e prodotto industrialmente (nove esemplari venduti, un
successo per quell’epoca), in una veste più “elegante” rispetto a quella del laboratorio, negli stabilimenti della
Ferranti Ltd. a Manchester. La massa dei circuiti è ora alloggiata nei grandi armadi laterali. Nel 1954 uno di
questi computer (versione Mark I*) venne acquistato dal CNR e installato a Roma presso l’INAC.
Nella foto, tra i personaggi che lavorano al tavolo di controllo, quello in piedi è Alan Turing.
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VON NEUMANN E LA IAS MACHINE
Da sinistra: Julian Bigelow (direttore
dell’ingegneria del computer), Goldstine, Robert
Oppenheimer e von Neumann. Sullo sfondo, il
computer dello IAS completato nel 1952.
Oppenheimer, che al momento dirigeva lo IAS, era
stato il direttore scientifico del laboratorio di Los
Alamos dove si costruirono le prime bombe
atomiche (Progetto Manhattan).
Lo stesso von Neumann aveva collaborato al
Progetto Manhattan e continuò ad occuparsi di
questioni analoghe anche dopo la fine della guerra,
come influente membro della AEC (Atomic Energy
Commission) di cui fece parte anche Enrico Fermi.
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VON NEUMANN E LA IAS MACHINE
La Macchina IAS, il cui aspetto è caratterizzato dalle 40 memorie elettrostatiche a raggi catodici (Tubi di
Williams), 20 delle quali sono visibili mentre le altre sono sul lato opposto.
I tubi catodici, che appaiono schermati entro cilindri metallici, hanno una capacità complessiva di 4.096 “parole”
di 40 bit. (Secondo un’usanza tipica dei primi computer a vocazione scientifica, la parola era l’elemento di
memoria indirizzabile singolarmente; in seguito, per aumentare la versatilità d’impiego, come elemento
indirizzabile si adottò il Byte, formato da 8 bit contigui  inizialmente 6  più uno per il controllo di parità.)
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VON NEUMANN E LA IAS MACHINE
Lasciata la Moore School e il progetto dell’EDVAC - che ebbe vita stentata in quanto anche Eckert e Mauchly, conclusa
l’esperienza ENIAC, se n’erano andati per la loro strada - von Neumann si dedicò con grande energia a progettare un
computer per lo IAS (Institute of Advanced Study; Priceton) che era la sua sede accademica. In questa impresa dovette
faticare molto per trovare i finanziamenti e, inaspettatamente, per superare la resistenza dei colleghi che vedevano infranta
la tradizione di ricerca astratta e teorica propria dell’Istituto: uno “strumento”, fosse pure atipico come il rivoluzionario
computer, era fuori luogo tra quelle mura.
Tuttavia l’ebbe vinta e ne risultò una macchina, completata nel 1952, molto diversa dall’Edvac e più potente anche se di
dimensioni fisiche contenute.
Il progetto di massima per la IAS Machine risaliva alla fine del 1947 ed era stato formulato da von Neumann  assieme a
Arthur W. Burks e Herman H. Goldstine, suoi collaboratori allo IAS  in un rapporto intitolato Preliminary discussion of
the logical design of an electronic computing instrument. Tra le molte caratteristiche innovative, lo IAS Computer era
concepito come “macchina parallela”, nel senso che ciascuno dei 40 bit che costituivano la “parola” era ubicato, nella
stessa posizione, in uno dei 40 elementi fisici della memoria (tubi di Williams); al contrario di quanto avveniva nelle
macchine “seriali” in cui i bit erano trattati uno alla volta, i bit di una parola potevano così essere operati tutti
contemporaneamente e viaggiare appunto “in parallelo”, su altrettante linee di connessione, nei trasferimenti da un organo
all’altro del computer, in particolare dalla/alla memoria.
Questa accezione del parallelismo non va confusa con quella attuale, secondo la quale s’intende il parallelismo dei
processi elaborativi che vengono eseguiti contemporaneamente su diversi processori.
Grazie alle idee innovative e al prestigio di cui godeva von Neumann, il modello della IAS Machine fu replicato quasi
identico da parecchie altre istituzioni scientifiche, tra le quali il Laboratorio atomico di Los Alamos che battezzò il suo
computer con il nome MANIAC (Mathematical Analyzer, Numerical Integrator and Computer).
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Anche Enrico Fermi fece largo uso del computer
MANIAC, realizzato a Los Alamos nel 1952 sul
modello dello IAS Computer e sotto la direzione di
Nicholas (Nik) Metropolis.
Fermi divenne rapidamente anche un esperto
programmatore; tra le molte applicazioni di cui si
occupò figura anche la simulazione numerica di
fenomeni non lineari, una tecnica da lui concepita
assieme al matematico Stanislaw Ulam e al fisico
John Pasta.
Fu grazie a queste sue approfondite esperienze che
Fermi, nel 1954, suggerì la costruzione della CEP
(Calcolarice Elettronica Pisana) di cui parleremo in
una prossima lezione.
Appunti di Fermi relativi al computer MANIAC (1952)
conservati nel Fermi Archive - University of Chicago Library.
Tra i vari dettagli interessanti, si noti la terminologia ancora arcaica:
bigit invece di bit; order invece di instruction.
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Mentre l’ENIAC divenne operativo troppo tardi per
concorrere al Progetto Manhattan, il computer dello
IAS e poi naturalmente il MANIAC furono utilizzati
intensamente per lo sviluppo della successiva bomba
termonucleare (Bomba H).
Le necessità di calcolo connesse allo sviluppo degli
ordigni atomici e della missilistica a lungo raggio
sono state negli USA tra le principali motivazioni per
gli ingentissimi finanziamenti militari allo sviluppo
del computer.
Motivazioni e finanziamenti che si accentuarono nel
clima arroventato della “guerra fredda” tra il Blocco
Sovietico e quello Atlantico, e di cui la gara per la
supremazia strategica nello spazio è stata un aspetto
sostanziale anche se abbinato agli obiettivi scientifici.
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Nel 1946 J.P. Eckert e J.W Mauchly lasciarono la Moore School di Philadelphia e i progetti che vi erano in corso  tra
cui l’EDVAC  e fondarono la loro azienda EMC (Eckert-Mauchly Corporation, denominata in un primo momento ECC:
Electronic Control Co.).
I loro primi successi furono i computer BINAC (1949) e specialmente l’UNIVAC (1951). L’impresa fu però un disastro
dal punto di vista finanziario e la EMC fu acquisita nel 1951 dalla Remington-Rand la quale, anche attraverso i propri
riassetti aziendali, mantenne per decenni il nome UNIVAC alla propria divisione computer.
I due soci avevano percepito prontamente che il computer sarebbe rapidamente diventato appetibile per le attività
aziendali e quindi cercarono la loro clientela soprattutto nelle grandi organizzazioni private (assicurazioni, banche ,
trasporti) ma  come del resto tutte le aziende High Tech  furono anche bene attenti a curare, direttamente o
indirettamente, le vie d’accesso alle succulente commesse dei militari; erano stati proprio i militari, dopotutto, a
finanziare la grande avventura dell’ENIAC.
Da sinistra: Mauchly, Groves e Eckert.
Il generale Leslie R. Groves, direttore
della UNIVAC (divisione della
Remington-Rand), era stato il ferreo
comandante del Progetto Manhattan.
Eckert, a sinistra, con Mac Arthur,
presidente della Sperry-Rand
(succeduta alla Remington Rand). Il
generale Douglas Mac Arthur aveva
comandato l’area del Pacifico durante
la seconda guerra mondiale e nelle
prime fasi della guerra di Corea.
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CARATTERISTICHE DI ALCUNI COMPUTER PIONIERISTICI
1948
1949
1950
1952
[S. Lavington Early Brotish Computers; Digital Press, 1980]
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1953
1953
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CARATTERISTICHE DI ALCUNI COMPUTER PIONIERISTICI
(*)
(*) La memoria CRT, realizzata con tubi catodici speciali, si riferisce a una fase intermedia del progetto Whirlwind; nella
sua versione finale, fu infatti il primo computer ad adottare la tecnologia di memoria a nuclei (core) magnetici.
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CARATTERISTICHE DI ALCUNI COMPUTER PIONIERISTICI
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La storia prosegue con il progresso sia teorico che
tecnologico.
Per innescare l’esplosione quantitativa dell’informatica è
stato però determinante il passaggio ...
… dal computer “degli scienziati per gli
scienziati”
al computer “dell’industria per il mercato”
dove “il mercato” è costituito in misura sempre crescente
da utenze non “scientifiche” bensì “gestionali”; tra
queste ultime, come si è già visto, le sostituzioni di
sistemi meccanografici con elaboratori elettronici.
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DIFFUSIONE QUANTITATIVA DEL COMPUTER, DALLE ORIGINI AL 1974
A
B
I grafici A e B rappresentano valori assoluti. Vi si riscontra l’effetto del passaggio della
tecnologia di base dalla valvola termoionica al transistor e della transizione dal calcolo
prevalentemente tecnico-scientifico alla elaborazione dati in ambito aziendale; fattori
questi che, intorno al 1960, determinano l’innesco della crescita esponenziale.
[M. Phister Data Processing Technology and Economics; Digital Press, 1979]
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DIFFUSIONE QUANTITATIVA DEL COMPUTER, DALLE ORIGINI AL 1974
C
Il grafico C mette a confronto valori normalizzati (numero di computer / milioni di
abitanti) e pone in evidenza:
- la sostanziale identità del trend nei quattro paesi non-Usa;[1]
- il “gap” di circa 5 anni (
) con cui la diffusione degli elaboratori elettronici nei paesi
non-Usa insegue i livelli del paese-guida.
[1] L’andamento in Italia, non rappresentato nel grafico, non differisce da quello riscontrato nei quattro paesi presi
in considerazione.
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EVOLUZIONE DELLE TECNOLOGIE DI BASE
microprocrochip
circuito integrato
transistor
valvola termoionica
relè
1940
1950
1960
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1970
1980
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EVOLUZIONE DELLE TECNOLOGIE DI BASE
LA “LEGGE” DI MOORE
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EVOLUZIONE DELLE TECNOLOGIE DI BASE
COMMENTI
Da ricordare il fisico Federico Faggin, coinventore, con Marcian (Ted) Hoff, del primo microprocessore su singolo chip
(Intel 4004; 1972). Prima di trasferirsi in America (Fairchild; Intel; poroprie iniziative industriali nella Silicon Valley)
aveva iniziato la carriera nella Divisione Elettronica Olivetti e nella consociata SGS (Società Generale Semiconduttori,
oggi diventata ST Microelectronics).
Una notevole inversione di tendenza. Mentre le tecnologie di base più datate sono state mutuate da settori
ingegneristici estranei all’informatica (i relé dalla telegrafia elettrica e dalla commutazione telefonica; le valvole
termoioniche dalle comunicazioni radio; il transistor dall’elettronica di consumo - p.e. dalle radioline portatili e tascabili
- prima di diventare competitivi in termini di affidabilità e di costo), gli sviluppi successivi (circuiti integrati, processori e
memorie a microchip) sono stati conseguiti all’interno delle ricerche in informatica e poi estesi ad altri settori
applicativi.
Integrazione a larghissima scala: un progresso spettacoloso ma i principi fisici di base dell’elettronica allo stato
solido risalgono sostanzialmente all’invenzione del transistor (1948). La legge di Moore [1] non potrà prolungarsi
indefinitamente: occorrono nuovi paradigmi tecnologici.
Principi fisici radicalmente innovativi - comparabili con il passaggio dal relé alla valvola termoionica e da questa al
transistor - sembrano poter scaturire dalle ricerche in corso sulla computazione quantistica (quantum computing) e
sulle nanotecnologie a scala molecolare (DNA computing).
[1]
Si tratta di una regola empirica secondo la quale la densità dei componenti impaccati in un microchip - memoria o
processore - raddoppia all’incirca ogni 2 anni. Formulata attorno al 1970 da Gordon Moore (uno dei fondatori della
Intel, con Robert Noyce; 1968), si è dimostrata valida fino ad oggi (vedi slide precedente).
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