Una computadora de tubo 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 tubo de vacío se limita a mediados del siglo XX. Lee De Forest inventó el triodo en 1906. El primer ejemplo de uso de tubos de vacío para computación, la computadora Atanasoff-Berry , se demostró en 1939. Las computadoras de tubo de vacío inicialmente fueron diseños únicos, pero los modelos comerciales se introdujeron en la década de 1950 y se vendieron en volúmenes que iban desde un solo dígito hasta miles de unidades. A principios de la década de 1960, las computadoras de tubo de vacío estaban obsoletas, reemplazadas por las computadoras transistorizadas de segunda generación .
Gran parte de lo que hoy consideramos parte de la informática digital evolucionó durante la era de los tubos de vacío. Inicialmente, los ordenadores de tubos de vacío realizaban las mismas operaciones que los ordenadores mecánicos anteriores, sólo que a velocidades mucho mayores. Los engranajes y los relés mecánicos funcionan en milisegundos, mientras que los tubos de vacío pueden conmutar en microsegundos. La primera desviación de lo que era posible antes de los tubos de vacío fue la incorporación de grandes memorias que podían almacenar miles de bits de datos y acceder a ellos aleatoriamente a altas velocidades. Eso, a su vez, permitió el almacenamiento de instrucciones de máquina en la misma memoria que los datos: el concepto de programa almacenado , un avance que hoy es un sello distintivo de los ordenadores digitales.
Otras innovaciones incluyeron el uso de cinta magnética para almacenar grandes volúmenes de datos en forma compacta ( UNIVAC I ) y la introducción del almacenamiento secundario de acceso aleatorio ( IBM RAMAC 305 ), el antepasado directo de todas las unidades de disco duro que utilizamos hoy. Incluso los gráficos de computadora comenzaron durante la era de los tubos de vacío con el IBM 740 CRT Data Recorder y el lápiz óptico Whirlwind . Los lenguajes de programación se originaron en la era de los tubos de vacío, incluidos algunos que todavía se usan hoy en día, como Fortran & Lisp ( IBM 704 ), Algol ( Z22 ) y COBOL. Los sistemas operativos, como el GM-NAA I/O , también nacieron en esta era.
El uso de amplificadores de tubos de vacío acoplados de forma cruzada para producir un tren de pulsos fue descrito por Eccles y Jordan en 1918. Este circuito se convirtió en la base del flip-flop , 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 demostró por primera vez en 1939, ahora se considera la primera computadora de tubo 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 especiales como Colossus para descifrar los códigos de las máquinas alemanas (teleimpresoras) conocidos como Fish . La inteligencia militar recopilada por estos sistemas fue esencial para el esfuerzo bélico aliado. Al final de la guerra, se utilizaban 10 COLOSSI Mark II en Bletchley Park ; reemplazaron al Heath Robinson . Cada COLOSSI utilizaba 1600 tubos de vacío (Mark I) o 2400 tubos de vacío (Mark II). [1] El descifrado de códigos en tiempos de guerra en BP se mantuvo en secreto hasta la década de 1970. [1]
Durante la guerra, Konrad Zuse también desarrolló ordenadores binarios electromecánicos . El ejército alemán no dio prioridad al desarrollo de ordenadores durante la guerra. En 1942 se desarrolló un circuito electrónico experimental con alrededor de 100 tubos, pero fue destruido en un ataque aéreo.
En Estados Unidos, el trabajo sobre la computadora ENIAC comenzó a fines de la Segunda Guerra Mundial. La máquina se completó en 1945. Aunque una aplicación que motivó su desarrollo fue la producción 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 . ENIAC se programó inicialmente con tableros de conexiones e interruptores en lugar de un programa almacenado electrónicamente. Una serie de conferencias de posguerra que revelaban el diseño de ENIAC, y un informe de John von Neumann sobre un previsible sucesor de ENIAC, First Draft of a Report on the EDVAC , se distribuyeron ampliamente y fueron influyentes en el diseño de las computadoras de tubos de vacío de posguerra.
Las primeras máquinas que se utilizaban 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 enchufables. 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 computación electrónica.
El Ferranti Mark 1 (1951) se considera el primer ordenador comercial de válvulas con programa almacenado. Los primeros ordenadores producidos en serie fueron el Bull Gamma 3 (1952, 1.200 unidades) y el IBM 650 (1954, 2.000 unidades).
La tecnología de tubos de vacío requería una gran cantidad de electricidad. El ordenador ENIAC (1946) tenía más de 17.000 tubos y sufría una avería en uno de ellos (que tardaba 15 minutos en localizarse) cada dos días de media. En funcionamiento, el ENIAC consumía 150 kilovatios de energía, [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 los equipos auxiliares de tarjetas perforadas.
Dado que la falla de cualquiera de los miles de tubos de una computadora puede generar errores, la confiabilidad de los tubos era de suma importancia. Se construyeron tubos de calidad especial para el servicio de computadoras, con estándares más altos de materiales, inspección y pruebas que los tubos de recepción estándar.
Un efecto del funcionamiento digital que rara vez aparecía 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 necesitaban materiales especialmente seleccionados para los tubos de ordenador. Para evitar las tensiones mecánicas asociadas con el calentamiento de los tubos a la temperatura de funcionamiento, a menudo se aplicaba a los calentadores de los tubos su voltaje de funcionamiento completo lentamente, durante un minuto o más, para evitar fracturas relacionadas con el estrés de los calentadores del cátodo. Para evitar el ciclo térmico, se podía dejar encendida la energía del calentador durante el tiempo de espera de la máquina, con las fuentes de alimentación de alto voltaje de la placa apagadas. Se incorporaron pruebas marginales a los subsistemas de un ordenador de tubos de vacío; al reducir los voltajes de la placa o del calentador y probar el funcionamiento correcto, se podían detectar los componentes con riesgo de falla temprana. Para regular todos los voltajes de la fuente de alimentación y evitar que las subidas y bajadas de la red eléctrica afectaran el funcionamiento del ordenador, se derivó energía de un grupo motogenerador que mejoró la estabilidad y la regulación de los voltajes de la fuente de alimentación. [ cita requerida ]
En la construcción de los ordenadores de tubos de vacío se utilizaron dos tipos generales de circuitos lógicos. El tipo "asincrónico" o de acoplamiento directo en CC utilizaba sólo 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 "sincrónica" o de "pulso dinámico", cada etapa estaba acoplada 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 asincrónicos podían funcionar potencialmente más rápido, pero requerían más circuitos para protegerse contra las "carreras" lógicas, ya que las diferentes rutas lógicas tendrían un tiempo de propagación diferente desde la entrada hasta la salida estable. Los sistemas sincrónicos 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 acopladas directamente eran algo sensibles a la deriva en los valores de los componentes o a las 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 ordenador de "pulso" (sincrónico) fue el MIT Whirlwind . Los ordenadores IAS ( ILLIAC y otros) utilizaban etapas lógicas asincrónicas acopladas directamente.
Los ordenadores a válvulas utilizaban principalmente triodos y pentodos como elementos de conmutación y amplificación. Al menos un tubo de compuerta especialmente diseñado tenía dos rejillas de control con características similares, lo que le permitía implementar directamente una compuerta AND de dos entradas . [4] A veces se utilizaban tiratrones , por ejemplo, para controlar dispositivos de E/S o para simplificar el diseño de pestillos y registros de retención. A menudo, los ordenadores a válvulas de vacío hacían un uso extensivo de diodos de estado sólido ("cristal") para realizar funciones lógicas AND y OR , y solo utilizaban tubos de vacío para amplificar señales entre etapas o para construir elementos como flip-flops, 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 High-Speed Computing Devices describe varias formas de almacenar números utilizando tecnología contemporánea, con el objetivo de minimizar el número de tubos de vacío (costosos) ( elección de radix óptima ). 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 flip-flops r , como en los contadores decimales de ENIAC , [5] : 23–25 que usan 20 triodos por dígito decimal. Los contadores de anillo pequeños con r menor que aproximadamente 7 estados requieren r triodos. [6] : 22–23 Algunas computadoras de tubo 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 tubo, como la computadora Harwell Dekatron , utilizan un solo tubo Decatron por dígito decimal.
Los primeros sistemas utilizaban una variedad de tecnologías de memoria antes de decidirse 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 para refrescar esta memoria "dinámica" en cada revolución. La ENIAC de la época de la guerra podía almacenar 20 números, pero los registros de tubo de vacío utilizados eran demasiado caros de construir para almacenar más de unos pocos números. Una computadora con programa almacenado estaba fuera del alcance hasta que se pudiera desarrollar una forma económica de memoria.
En 1944, J. Presper Eckert propuso utilizar una memoria de línea de retardo de mercurio en un sucesor del ENIAC que se convertiría en el EDVAC . Eckert había trabajado anteriormente con memoria de línea de retardo para el procesamiento de señales de radar. Maurice Wilkes construyó EDSAC en 1947, que tenía una memoria de línea de retardo de mercurio que podía 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 serial de bits. [7] Eckert y John Mauchly utilizaron la 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 de sonido en el medio, que viajan a una velocidad constante. El UNIVAC I (1951) utilizó siete unidades de memoria, cada una con 18 columnas de mercurio, que almacenaban 120 bits cada una. Esto proporcionó 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 sala de entrada.
Los tubos Williams fueron el primer dispositivo de memoria de acceso aleatorio real . El tubo Williams muestra una cuadrícula de puntos en un tubo de rayos catódicos (TRC), creando una pequeña carga de electricidad estática sobre cada punto. La carga en la ubicación de cada uno de los puntos es leída por una lámina fina de metal justo en frente 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 1.024 bits cada uno, lo que daba una memoria de acceso aleatorio total de 1.024 palabras de 36 bits cada una. El tiempo de acceso a la memoria de tubo 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 de metal que giraba rápidamente recubierto con un material de grabación ferromagnético . La mayoría de los tambores tenían una o más filas de cabezales de lectura y escritura fijos a lo largo del eje largo del tambor para cada pista. El controlador del tambor seleccionaba el cabezal adecuado y esperaba a que los datos aparecieran 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 A Wang en 1951. El núcleo utiliza pequeños núcleos de anillo magnético, a través de los cuales se pasan cables para escribir y leer información. Cada núcleo representa un bit de información. Los núcleos se pueden magnetizar de dos formas diferentes (en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj), y el bit almacenado en un núcleo es cero o uno dependiendo de la dirección de magnetización de ese núcleo. Los cables permiten que un núcleo individual se configure como uno o cero y que su magnetización se cambie enviando pulsos de corriente eléctrica apropiados a través de cables seleccionados. La memoria de núcleo ofrecía acceso aleatorio y mayor velocidad, además de una confiabilidad mucho mayor. Se comenzó a utilizar rápidamente en computadoras como la MIT/IBM Whirlwind , donde se instalaron 1024 palabras iniciales de memoria de 16 bits en reemplazo de los tubos Williams. Del mismo modo, el UNIVAC 1103 se actualizó al 1103A en 1956, y la memoria de núcleo reemplazó a los tubos Williams. La memoria de núcleo utilizada en el 1103 tenía un tiempo de acceso de 10 microsegundos. [8]
En la década de 1950, la computadora electrónica pasó de ser un proyecto de investigación a un producto comercial, con diseños comunes y múltiples copias, [11] lo que dio inicio a una nueva e importante industria. Las primeras máquinas comerciales utilizaban tubos de vacío y una variedad de tecnologías de memoria, y hacia fines de la década convergieron en el núcleo magnético.
Muchas de las primeras máquinas comerciales continuaron con las máquinas únicas y fueron diseñadas para realizar cálculos matemáticos rápidos necesarios para fines científicos, de ingeniería y militares. Pero algunas fueron diseñadas para cargas de trabajo de procesamiento de datos generadas por el gran 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 mediante el proyecto IBM System/360 . Véase la serie IBM 700/7000
A continuación se muestra una lista de estas computadoras comerciales de primera generación.
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