Una computadora es una máquina que puede programarse para realizar automáticamente secuencias de operaciones aritméticas o lógicas ( computación ). Las computadoras electrónicas digitales modernas pueden realizar conjuntos genéricos de operaciones conocidas como programas . Estos programas permiten a las computadoras realizar una amplia gama de tareas. El término sistema informático puede referirse a una computadora nominalmente completa que incluye el hardware , el sistema operativo , el software y el equipo periférico necesario y utilizado para su funcionamiento completo; o a un grupo de computadoras que están conectadas y funcionan juntas, como una red de computadoras o un clúster de computadoras .
Una amplia gama de productos industriales y de consumo utilizan computadoras como sistemas de control , incluidos dispositivos simples para propósitos especiales como hornos microondas y controles remotos , y dispositivos de fábrica como robots industriales . Las computadoras son el núcleo de los dispositivos de propósito general, como las computadoras personales y los dispositivos móviles como los teléfonos inteligentes . Las computadoras impulsan Internet , que conecta a miles de millones de computadoras y usuarios.
Las primeras computadoras estaban destinadas a ser utilizadas únicamente para cálculos. Los instrumentos manuales simples como el ábaco han ayudado a las personas a hacer cálculos desde la antigüedad. A principios de la Revolución Industrial , se construyeron algunos dispositivos mecánicos para automatizar tareas largas y tediosas, como guiar patrones para telares . Las máquinas eléctricas más sofisticadas hicieron cálculos analógicos especializados a principios del siglo XX. Las primeras máquinas calculadoras electrónicas digitales se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial , tanto electromecánicas como con válvulas termoiónicas . Los primeros transistores semiconductores a fines de la década de 1940 fueron seguidos por los MOSFET (transistor MOS) basados en silicio y las tecnologías de chips de circuitos integrados monolíticos a fines de la década de 1950, lo que condujo al microprocesador y la revolución de los microordenadores en la década de 1970. La velocidad, la potencia y la versatilidad de las computadoras han aumentado drásticamente desde entonces, con el recuento de transistores aumentando a un ritmo rápido ( la ley de Moore señaló que los recuentos se duplicaban cada dos años), lo que condujo a la Revolución Digital durante fines del siglo XX y principios del XXI.
Convencionalmente, una computadora moderna consta de al menos un elemento de procesamiento , típicamente una unidad central de procesamiento (CPU) en forma de microprocesador , junto con algún tipo de memoria de computadora , típicamente chips de memoria semiconductores . El elemento de procesamiento lleva a cabo operaciones aritméticas y lógicas, y una unidad de secuenciación y control puede cambiar el orden de las operaciones en respuesta a la información almacenada . Los dispositivos periféricos incluyen dispositivos de entrada ( teclados , ratones , joysticks , etc.), dispositivos de salida ( monitores , impresoras , etc.) y dispositivos de entrada/salida que realizan ambas funciones (por ejemplo, pantallas táctiles ). Los dispositivos periféricos permiten recuperar información de una fuente externa y permiten guardar y recuperar los resultados de las operaciones.
No fue hasta mediados del siglo XX que la palabra adquirió su definición moderna; según el Oxford English Dictionary , el primer uso conocido de la palabra computadora fue en un sentido diferente, en un libro de 1613 llamado The Yong Mans Gleanings del escritor inglés Richard Brathwait : "He leído la computadora más verdadera de los tiempos, y el mejor aritmético que jamás haya respirado , y él reduce tus días a un número corto". Este uso del término se refería a una computadora humana , una persona que realizaba cálculos o computaciones . La palabra continuó teniendo el mismo significado hasta mediados del siglo XX. Durante la última parte de este período, a menudo se contrataba a mujeres como computadoras porque se les podía pagar menos que a sus contrapartes masculinas. [1] En 1943, la mayoría de las computadoras humanas eran mujeres. [2]
El Diccionario Etimológico Online da el primer uso atestiguado de computadora en la década de 1640, con el significado de 'alguien que calcula'; este es un "sustantivo agente de computar (v.)". El Diccionario Etimológico Online afirma que el uso del término para significar " 'máquina calculadora' (de cualquier tipo) es de 1897". El Diccionario Etimológico Online indica que el "uso moderno" del término, para significar 'computadora electrónica digital programable' data de "1945 bajo este nombre; [en un] sentido teórico] desde 1937, como máquina de Turing ". [3] El nombre se ha mantenido, aunque las computadoras modernas son capaces de muchas funciones de nivel superior.
Los dispositivos se han utilizado para ayudar a los cálculos durante miles de años, principalmente mediante correspondencia uno a uno con los dedos . El primer dispositivo de conteo probablemente fue una especie de palo de conteo . Las ayudas posteriores para llevar registros en toda la Media Luna Fértil incluyeron cálculos (esferas de arcilla, conos, etc.) que representaban recuentos de elementos, probablemente ganado o granos, sellados en recipientes huecos de arcilla sin cocer. [a] [4] El uso de varillas de conteo es un ejemplo.
El ábaco se utilizó inicialmente para tareas aritméticas. El ábaco romano se desarrolló a partir de dispositivos utilizados en Babilonia ya en el año 2400 a. C. Desde entonces, se han inventado muchas otras formas de tablas o tableros de cálculo. En una casa de contabilidad europea medieval , se colocaba un paño a cuadros sobre una mesa y se movían marcadores sobre él de acuerdo con ciertas reglas, como ayuda para calcular sumas de dinero. [5]
Se cree que el mecanismo de Antikythera es la computadora analógica mecánica más antigua conocida , según Derek J. de Solla Price . [6] Fue diseñado para calcular posiciones astronómicas. Fue descubierto en 1901 en el naufragio de Antikythera frente a la isla griega de Antikythera , entre Kythera y Creta , y se ha datado aproximadamente en el año 100 a. C. Los dispositivos de complejidad comparable al mecanismo de Antikythera no reaparecerían hasta el siglo XIV. [7]
Se construyeron muchas ayudas mecánicas para el cálculo y la medición con fines astronómicos y de navegación. El planisferio era un mapa estelar inventado por Abū Rayhān al-Bīrūnī a principios del siglo XI. [8] El astrolabio se inventó en el mundo helenístico en el siglo I o II a. C. y a menudo se atribuye a Hiparco . Una combinación del planisferio y la dioptra , el astrolabio era en realidad una computadora analógica capaz de resolver varios tipos diferentes de problemas en astronomía esférica . Un astrolabio que incorporaba una computadora de calendario mecánico [9] [10] y ruedas dentadas fue inventado por Abi Bakr de Isfahán , Persia , en 1235. [11] Abū Rayhān al-Bīrūnī inventó el primer astrolabio de calendario lunisolar con engranajes mecánicos, [12] una temprana máquina de procesamiento de conocimiento con cables fijos [13] con un tren de engranajes y ruedas dentadas, [14] alrededor del año 1000 d . C.
El sector , un instrumento de cálculo utilizado para resolver problemas de proporción, trigonometría , multiplicación y división, y para diversas funciones, como cuadrados y raíces cúbicas, fue desarrollado a finales del siglo XVI y encontró aplicación en artillería, topografía y navegación.
El planímetro era un instrumento manual que permitía calcular el área de una figura cerrada trazándola sobre ella mediante un mecanismo mecánico.
La regla de cálculo fue inventada alrededor de 1620-1630 por el clérigo inglés William Oughtred , poco después de la publicación del concepto de logaritmo . Es una computadora analógica operada manualmente para realizar multiplicaciones y divisiones. A medida que avanzaba el desarrollo de la regla de cálculo, las escalas añadidas proporcionaron recíprocos, cuadrados y raíces cuadradas, cubos y raíces cúbicas, así como funciones trascendentales como logaritmos y exponenciales, trigonometría circular e hiperbólica y otras funciones . Las reglas de cálculo con escalas especiales todavía se utilizan para realizar rápidamente cálculos rutinarios, como la regla de cálculo circular E6B utilizada para cálculos de tiempo y distancia en aviones ligeros.
En la década de 1770, Pierre Jaquet-Droz , un relojero suizo , construyó una muñeca mecánica ( autómata ) que podía escribir sosteniendo una pluma de ave. Al cambiar el número y el orden de sus ruedas internas, se podían producir diferentes letras y, por lo tanto, diferentes mensajes. En efecto, se la podía "programar" mecánicamente para que leyera instrucciones. Junto con otras dos máquinas complejas, la muñeca se encuentra en el Museo de Arte e Historia de Neuchâtel , Suiza , y todavía funciona. [15]
Entre 1831 y 1835, el matemático e ingeniero Giovanni Plana ideó una máquina de calendario perpetuo que, mediante un sistema de poleas y cilindros, podía predecir el calendario perpetuo para cada año desde el 0 d. C. (es decir, el 1 a. C.) hasta el 4000 d. C., llevando un registro de los años bisiestos y de la duración variable de los días. La máquina de predicción de mareas inventada por el científico escocés Sir William Thomson en 1872 fue de gran utilidad para la navegación en aguas poco profundas. Utilizaba un sistema de poleas y cables para calcular automáticamente los niveles de marea previstos para un período determinado en una ubicación particular.
El analizador diferencial , una computadora analógica mecánica diseñada para resolver ecuaciones diferenciales por integración , utilizaba mecanismos de rueda y disco para realizar la integración. En 1876, Sir William Thomson ya había discutido la posible construcción de tales calculadoras, pero se había visto obstaculizado por el par de salida limitado de los integradores de bolas y discos . [16] En un analizador diferencial, la salida de un integrador impulsaba la entrada del siguiente integrador, o una salida gráfica. El amplificador de par fue el avance que permitió que estas máquinas funcionaran. A partir de la década de 1920, Vannevar Bush y otros desarrollaron analizadores diferenciales mecánicos.
En la década de 1890, el ingeniero español Leonardo Torres Quevedo comenzó a desarrollar una serie de máquinas analógicas avanzadas que podían resolver raíces reales y complejas de polinomios , [17] [18] [19] [20] que fueron publicadas en 1901 por la Academia de Ciencias de París . [21]
Charles Babbage , ingeniero mecánico y erudito inglés , fue el creador del concepto de computadora programable. Considerado el " padre de la computadora ", [22] concibió e inventó la primera computadora mecánica a principios del siglo XIX.
Después de trabajar en su máquina diferencial , anunció su invención en 1822, en un artículo para la Royal Astronomical Society , titulado "Nota sobre la aplicación de maquinaria al cálculo de tablas astronómicas y matemáticas", [23] que también diseñó para ayudar en los cálculos de navegación, en 1833 se dio cuenta de que era posible un diseño mucho más general, una máquina analítica . La entrada de programas y datos se proporcionaría a la máquina a través de tarjetas perforadas , un método que se utilizaba en ese momento para dirigir telares mecánicos como el telar Jacquard . Para la salida, la máquina tendría una impresora, un trazador de curvas y una campana. La máquina también podría perforar números en tarjetas para leerlos más tarde. La máquina incorporaría una unidad lógica aritmética , flujo de control en forma de ramificación condicional y bucles , y memoria integrada , lo que la convertiría en el primer diseño de una computadora de propósito general que podría describirse en términos modernos como Turing-completa . [24] [25]
La máquina se adelantó a su tiempo en un siglo. Todas las piezas de la máquina debían fabricarse a mano, lo que suponía un gran problema para un dispositivo con miles de piezas. Finalmente, el proyecto se disolvió cuando el gobierno británico decidió dejar de financiarlo. El fracaso de Babbage en completar la máquina analítica se puede atribuir principalmente a dificultades políticas y financieras, así como a su deseo de desarrollar una computadora cada vez más sofisticada y avanzar más rápido que cualquier otro. Sin embargo, su hijo, Henry Babbage , completó una versión simplificada de la unidad de cómputo de la máquina analítica (el molino ) en 1888. Hizo una demostración exitosa de su uso en tablas de cómputo en 1906.
En su obra Ensayos sobre la automática publicada en 1914, Leonardo Torres Quevedo escribió una breve historia de los esfuerzos de Babbage por construir una máquina diferencial mecánica y una máquina analítica. El artículo contiene un diseño de una máquina capaz de calcular fórmulas como , para una secuencia de conjuntos de valores. Toda la máquina debía ser controlada por un programa de solo lectura , que se completaba con disposiciones para la ramificación condicional . También introdujo la idea de la aritmética de punto flotante . [26] [27] [28] En 1920, para celebrar el centenario de la invención del aritmómetro , Torres presentó en París el Aritmómetro electromecánico, que permitía al usuario ingresar problemas aritméticos a través de un teclado , y calcular e imprimir los resultados, [29] [30] [31] [32] demostrando la viabilidad de una máquina analítica electromecánica. [33]
Durante la primera mitad del siglo XX, muchas necesidades de computación científica fueron satisfechas por computadoras analógicas cada vez más sofisticadas, que usaban un modelo mecánico o eléctrico directo del problema como base para el cálculo . Sin embargo, no eran programables y generalmente carecían de la versatilidad y precisión de las computadoras digitales modernas. [34] La primera computadora analógica moderna fue una máquina de predicción de mareas , inventada por Sir William Thomson (que luego se convertiría en Lord Kelvin) en 1872. El analizador diferencial , una computadora analógica mecánica diseñada para resolver ecuaciones diferenciales por integración utilizando mecanismos de rueda y disco, fue conceptualizado en 1876 por James Thomson , el hermano mayor del más famoso Sir William Thomson. [16]
El arte de la computación analógica mecánica alcanzó su apogeo con el analizador diferencial , construido por HL Hazen y Vannevar Bush en el MIT a partir de 1927. Este se basó en los integradores mecánicos de James Thomson y los amplificadores de par inventados por HW Nieman. Se construyeron una docena de estos dispositivos antes de que se hiciera evidente su obsolescencia. En la década de 1950, el éxito de las computadoras electrónicas digitales había significado el fin de la mayoría de las máquinas de computación analógica, pero las computadoras analógicas siguieron utilizándose durante la década de 1950 en algunas aplicaciones especializadas como la educación ( regla de cálculo ) y la aviación ( sistemas de control ).
En 1938, la Marina de los Estados Unidos había desarrollado una computadora analógica electromecánica lo suficientemente pequeña como para usarla a bordo de un submarino . Se trataba de la Torpedo Data Computer , que utilizaba la trigonometría para resolver el problema de disparar un torpedo a un objetivo en movimiento. Durante la Segunda Guerra Mundial también se desarrollaron dispositivos similares en otros países.
Las primeras computadoras digitales eran electromecánicas ; los interruptores eléctricos accionaban relés mecánicos para realizar el cálculo. Estos dispositivos tenían una velocidad de funcionamiento baja y finalmente fueron reemplazados por computadoras totalmente eléctricas mucho más rápidas, que originalmente usaban tubos de vacío . La Z2 , creada por el ingeniero alemán Konrad Zuse en 1939 en Berlín , fue uno de los primeros ejemplos de una computadora con relés electromecánicos. [35]
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En 1941, Zuse siguió con su máquina anterior con la Z3 , la primera computadora digital completamente automática, programable y electromecánica del mundo . [38] [39] La Z3 se construyó con 2000 relés , implementando una longitud de palabra de 22 bits que operaba a una frecuencia de reloj de aproximadamente 5-10 Hz . [40] El código del programa se suministraba en película perforada mientras que los datos se podían almacenar en 64 palabras de memoria o suministrar desde el teclado. Era bastante similar a las máquinas modernas en algunos aspectos, siendo pionera en numerosos avances como los números de punto flotante . En lugar del sistema decimal más difícil de implementar (utilizado en el diseño anterior de Charles Babbage ), el uso de un sistema binario significaba que las máquinas de Zuse eran más fáciles de construir y potencialmente más confiables, dadas las tecnologías disponibles en ese momento. [41] La Z3 no era en sí misma una computadora universal, pero podía ampliarse para ser completa de Turing . [42] [43]
El siguiente ordenador de Zuse, el Z4 , se convirtió en el primer ordenador comercial del mundo; después de un retraso inicial debido a la Segunda Guerra Mundial, se completó en 1950 y se entregó a la ETH de Zúrich . [44] El ordenador fue fabricado por la propia empresa de Zuse, Zuse KG , que se fundó en 1941 como la primera empresa con el único propósito de desarrollar ordenadores en Berlín. [44]
Los elementos de circuitos puramente electrónicos pronto reemplazaron a sus equivalentes mecánicos y electromecánicos, al mismo tiempo que el cálculo digital reemplazó al analógico. El ingeniero Tommy Flowers , que trabajaba en la Estación de Investigación de Correos de Londres en la década de 1930, comenzó a explorar el posible uso de la electrónica para la central telefónica . El equipo experimental que construyó en 1934 entró en funcionamiento cinco años después, convirtiendo una parte de la red de la central telefónica en un sistema electrónico de procesamiento de datos, utilizando miles de tubos de vacío . [34] En los EE. UU., John Vincent Atanasoff y Clifford E. Berry de la Universidad Estatal de Iowa desarrollaron y probaron la Computadora Atanasoff-Berry (ABC) en 1942, [45] la primera "computadora digital electrónica automática". [46] Este diseño también era completamente electrónico y utilizaba alrededor de 300 tubos de vacío, con condensadores fijados en un tambor giratorio mecánicamente para la memoria. [47]
Durante la Segunda Guerra Mundial, los descifradores de códigos británicos de Bletchley Park lograron varios éxitos en la descifrado de comunicaciones militares alemanas encriptadas. La máquina de cifrado alemana, Enigma , fue atacada por primera vez con la ayuda de las bombas electromecánicas que a menudo eran manejadas por mujeres. [48] [49] Para descifrar la máquina alemana más sofisticada Lorenz SZ 40/42 , utilizada para comunicaciones de alto nivel del Ejército, Max Newman y sus colegas encargaron a Flowers la construcción del Colossus . [47] Pasó once meses desde principios de febrero de 1943 diseñando y construyendo el primer Colossus. [50] Después de una prueba funcional en diciembre de 1943, Colossus fue enviado a Bletchley Park, donde fue entregado el 18 de enero de 1944 [51] y atacó su primer mensaje el 5 de febrero. [47]
Colossus fue la primera computadora programable digital electrónica del mundo . [34] Utilizaba una gran cantidad de válvulas (tubos de vacío). Tenía entrada de cinta de papel y podía configurarse para realizar una variedad de operaciones lógicas booleanas con sus datos, pero no era Turing-completa. Se construyeron nueve Colossi Mk II (el Mk I se convirtió en un Mk II, lo que dio lugar a diez máquinas en total). Colossus Mark I contenía 1500 válvulas termoiónicas (tubos), pero Mark II, con 2400 válvulas, era cinco veces más rápido y más simple de operar que Mark I, lo que aceleraba enormemente el proceso de decodificación. [52] [53]
El ENIAC [54] (Electronic Numerical Integrator and Computer) fue el primer ordenador electrónico programable construido en los EE. UU. Aunque el ENIAC era similar al Colossus, era mucho más rápido, más flexible y era Turing-completo. Al igual que el Colossus, un "programa" en el ENIAC se definía por los estados de sus cables de conexión e interruptores, muy lejos de las máquinas electrónicas de programa almacenado que vinieron después. Una vez que se escribía un programa, tenía que ser introducido mecánicamente en la máquina con un restablecimiento manual de enchufes e interruptores. Las programadoras del ENIAC eran seis mujeres, a menudo conocidas colectivamente como las "chicas ENIAC". [55] [56]
Combinaba la alta velocidad de la electrónica con la capacidad de ser programada para resolver muchos problemas complejos. Podía sumar o restar 5000 veces por segundo, mil veces más rápido que cualquier otra máquina. También tenía módulos para multiplicar, dividir y hacer raíz cuadrada. La memoria de alta velocidad estaba limitada a 20 palabras (unos 80 bytes). Construida bajo la dirección de John Mauchly y J. Presper Eckert en la Universidad de Pensilvania, el desarrollo y la construcción de ENIAC duraron desde 1943 hasta su pleno funcionamiento a finales de 1945. La máquina era enorme, pesaba 30 toneladas, utilizaba 200 kilovatios de energía eléctrica y contenía más de 18.000 tubos de vacío, 1.500 relés y cientos de miles de resistencias, condensadores e inductores. [57]
El principio de la computadora moderna fue propuesto por Alan Turing en su influyente artículo de 1936, [58] On Computable Numbers . Turing propuso un dispositivo simple al que llamó "máquina de computación universal" y que ahora se conoce como máquina de Turing universal . Demostró que una máquina de este tipo es capaz de calcular cualquier cosa que sea computable ejecutando instrucciones (programa) almacenadas en cinta, lo que permite que la máquina sea programable. El concepto fundamental del diseño de Turing es el programa almacenado , donde todas las instrucciones para la computación se almacenan en la memoria. Von Neumann reconoció que el concepto central de la computadora moderna se debió a este artículo. [59] Las máquinas de Turing son hasta el día de hoy un objeto central de estudio en la teoría de la computación . A excepción de las limitaciones impuestas por sus almacenes de memoria finitos, se dice que las computadoras modernas son Turing-completas , es decir, tienen una capacidad de ejecución de algoritmos equivalente a una máquina de Turing universal.
Las primeras máquinas de computación tenían programas fijos. Cambiar su función requería recablear y reestructurar la máquina. [47] Con la propuesta de la computadora con programa almacenado esto cambió. Una computadora con programa almacenado incluye por diseño un conjunto de instrucciones y puede almacenar en memoria un conjunto de instrucciones (un programa ) que detalla el cálculo . La base teórica para la computadora con programa almacenado fue establecida por Alan Turing en su artículo de 1936. En 1945, Turing se unió al Laboratorio Nacional de Física y comenzó a trabajar en el desarrollo de una computadora digital electrónica con programa almacenado. Su informe de 1945 "Calculadora electrónica propuesta" fue la primera especificación para un dispositivo de este tipo. John von Neumann en la Universidad de Pensilvania también circuló su Primer borrador de un informe sobre el EDVAC en 1945. [34]
El Manchester Baby fue el primer ordenador con programa almacenado del mundo . Fue construido en la Universidad de Manchester en Inglaterra por Frederic C. Williams , Tom Kilburn y Geoff Tootill , y ejecutó su primer programa el 21 de junio de 1948. [60] Fue diseñado como un banco de pruebas para el tubo Williams , el primer dispositivo de almacenamiento digital de acceso aleatorio . [61] Aunque el ordenador fue descrito como "pequeño y primitivo" en una retrospectiva de 1998, fue la primera máquina funcional que contenía todos los elementos esenciales para un ordenador electrónico moderno. [62] Tan pronto como el Baby demostró la viabilidad de su diseño, comenzó un proyecto en la universidad para convertirlo en un ordenador prácticamente útil, el Manchester Mark 1 .
El Mark 1 a su vez se convirtió rápidamente en el prototipo del Ferranti Mark 1 , el primer ordenador de propósito general disponible comercialmente del mundo. [63] Construido por Ferranti , fue entregado a la Universidad de Manchester en febrero de 1951. Al menos siete de estas máquinas posteriores fueron entregadas entre 1953 y 1957, una de ellas a los laboratorios Shell en Ámsterdam . [64] En octubre de 1947, los directores de la empresa de catering británica J. Lyons & Company decidieron asumir un papel activo en la promoción del desarrollo comercial de ordenadores. El ordenador LEO I de Lyons , inspirado estrechamente en el EDSAC de Cambridge de 1949, entró en funcionamiento en abril de 1951 [65] y realizó el primer trabajo rutinario de ordenador de oficina del mundo .
El concepto de transistor de efecto de campo fue propuesto por Julius Edgar Lilienfeld en 1925. John Bardeen y Walter Brattain , mientras trabajaban con William Shockley en Bell Labs , construyeron el primer transistor funcional , el transistor de contacto puntual , en 1947, al que siguió el transistor de unión bipolar de Shockley en 1948. [66] [67] A partir de 1955, los transistores reemplazaron a los tubos de vacío en los diseños de computadoras, dando lugar a la "segunda generación" de computadoras. En comparación con los tubos de vacío, los transistores tienen muchas ventajas: son más pequeños y requieren menos energía que los tubos de vacío, por lo que emiten menos calor. Los transistores de unión eran mucho más confiables que los tubos de vacío y tenían una vida útil más larga e indefinida. Las computadoras transistorizadas podían contener decenas de miles de circuitos lógicos binarios en un espacio relativamente compacto. Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar en una base de producción en masa , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. [68]
En la Universidad de Manchester , un equipo bajo el liderazgo de Tom Kilburn diseñó y construyó una máquina que utilizaba los transistores recientemente desarrollados en lugar de válvulas. [69] Su primera computadora transistorizada y la primera del mundo, estuvo operativa en 1953 , y una segunda versión se completó allí en abril de 1955. Sin embargo, la máquina hizo uso de válvulas para generar sus formas de onda de reloj de 125 kHz y en los circuitos para leer y escribir en su memoria de tambor magnético , por lo que no fue la primera computadora completamente transistorizada. Esa distinción corresponde a la Harwell CADET de 1955, [70] construida por la división de electrónica del Establecimiento de Investigación de Energía Atómica en Harwell . [70] [71]
El transistor de efecto de campo de metal-óxido-silicio (MOSFET), también conocido como transistor MOS, El MOSFET inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, [72] [73] [74] [75] [76] [77] Fue el primer transistor verdaderamente compacto que podía miniaturizarse y producirse en masa para una amplia gama de usos. [68] Con su alta escalabilidad , [78] y un consumo de energía mucho menor y una mayor densidad que los transistores de unión bipolar, [79] el MOSFET hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad . [80] [81] Además del procesamiento de datos, también permitió el uso práctico de los transistores MOS como elementos de almacenamiento de celdas de memoria , lo que llevó al desarrollo de la memoria semiconductora MOS , que reemplazó a la anterior memoria de núcleo magnético en las computadoras. El MOSFET condujo a la revolución de las microcomputadoras , [82] y se convirtió en la fuerza impulsora detrás de la revolución de las computadoras . [83] [84] El MOSFET es el transistor más utilizado en computadoras, [85] [86] y es el componente fundamental de la electrónica digital . [87]
El siguiente gran avance en potencia informática llegó con la llegada del circuito integrado (CI). La idea del circuito integrado fue concebida por primera vez por un científico especializado en radar que trabajaba para el Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa , Geoffrey WA Dummer . Dummer presentó la primera descripción pública de un circuito integrado en el Simposio sobre el progreso en componentes electrónicos de calidad en Washington, DC , el 7 de mayo de 1952. [88]
Los primeros circuitos integrados funcionales fueron inventados por Jack Kilby en Texas Instruments y Robert Noyce en Fairchild Semiconductor . [89] Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958, demostrando con éxito el primer ejemplo integrado funcional el 12 de septiembre de 1958. [90] En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". [91] [92] Sin embargo, la invención de Kilby era un circuito integrado híbrido (CI híbrido), en lugar de un chip de circuito integrado (CI) monolítico. [93] El CI de Kilby tenía conexiones de cables externos, lo que dificultaba su producción en masa. [94]
Noyce también ideó su propia idea de un circuito integrado medio año después que Kilby. [95] La invención de Noyce fue el primer chip IC monolítico verdadero. [96] [94] Su chip resolvió muchos problemas prácticos que el de Kilby no había resuelto. Producido en Fairchild Semiconductor, estaba hecho de silicio , mientras que el chip de Kilby estaba hecho de germanio . El IC monolítico de Noyce se fabricó utilizando el proceso planar , desarrollado por su colega Jean Hoerni a principios de 1959. A su vez, el proceso planar se basó en el trabajo de Carl Frosch y Lincoln Derick sobre la pasivación de la superficie de los semiconductores mediante dióxido de silicio. [97] [98] [99] [100] [101] [102]
Los circuitos integrados monolíticos modernos son predominantemente circuitos integrados MOS ( metal-óxido-semiconductor ), construidos a partir de MOSFET (transistores MOS). [103] El primer circuito integrado MOS experimental que se fabricó fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. [104] General Microelectronics introdujo más tarde el primer circuito integrado MOS comercial en 1964, [105] desarrollado por Robert Norman. [104] Tras el desarrollo del transistor MOS de compuerta autoalineada (compuerta de silicio) por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967, el primer circuito integrado MOS de compuerta de silicio con compuertas autoalineadas fue desarrollado por Federico Faggin en Fairchild Semiconductor en 1968. [106] Desde entonces, el MOSFET se ha convertido en el componente de dispositivo más crítico en los circuitos integrados modernos. [103]
El desarrollo del circuito integrado MOS condujo a la invención del microprocesador , [107] [108] y anunció una explosión en el uso comercial y personal de las computadoras. Si bien el tema de exactamente qué dispositivo fue el primer microprocesador es polémico, en parte debido a la falta de acuerdo sobre la definición exacta del término "microprocesador", es en gran medida indiscutible que el primer microprocesador de un solo chip fue el Intel 4004 , [109] diseñado y realizado por Federico Faggin con su tecnología de circuitos integrados MOS de compuerta de silicio, [107] junto con Ted Hoff , Masatoshi Shima y Stanley Mazor en Intel . [b] [111] A principios de la década de 1970, la tecnología de circuitos integrados MOS permitió la integración de más de 10 000 transistores en un solo chip. [81]
Los System on a Chip (SoCs) son computadoras completas en un microchip (o chip) del tamaño de una moneda. [112] Pueden tener o no memoria RAM y flash integradas . Si no están integradas, la RAM generalmente se coloca directamente encima (conocido como Package on package ) o debajo (en el lado opuesto de la placa de circuito ) del SoC, y la memoria flash generalmente se coloca justo al lado del SoC, todo esto se hace para mejorar las velocidades de transferencia de datos, ya que las señales de datos no tienen que viajar largas distancias. Desde ENIAC en 1945, las computadoras han avanzado enormemente, con SoC modernos (como el Snapdragon 865) que son del tamaño de una moneda y al mismo tiempo son cientos de miles de veces más potentes que ENIAC, integrando miles de millones de transistores y consumiendo solo unos pocos vatios de energía.
Los primeros ordenadores portátiles eran pesados y funcionaban con corriente eléctrica. El IBM 5100, de 23 kg (50 lb), fue uno de los primeros ejemplos. Los portátiles posteriores, como el Osborne 1 y el Compaq Portable , eran considerablemente más ligeros, pero aún necesitaban estar enchufados. Los primeros portátiles, como el Grid Compass , eliminaron este requisito al incorporar baterías; y con la continua miniaturización de los recursos informáticos y los avances en la duración de las baterías portátiles, los ordenadores portátiles crecieron en popularidad en la década de 2000. [113] Los mismos avances permitieron a los fabricantes integrar recursos informáticos en los teléfonos móviles celulares a principios de la década de 2000.
Estos teléfonos inteligentes y tabletas funcionan con una variedad de sistemas operativos y recientemente se convirtieron en el dispositivo informático dominante en el mercado. [114] Estos funcionan con sistemas en un chip (SoC), que son computadoras completas en un microchip del tamaño de una moneda. [112]
Las computadoras se pueden clasificar de diferentes maneras, entre ellas:
El término hardware abarca todas aquellas partes de una computadora que son objetos físicos tangibles. Los circuitos , los chips de computadora, las tarjetas gráficas, las tarjetas de sonido, la memoria (RAM), la placa base, las pantallas, las fuentes de alimentación, los cables, los teclados, las impresoras y los dispositivos de entrada "mouse" son todos hardware.
Una computadora de propósito general tiene cuatro componentes principales: la unidad lógica aritmética (ALU), la unidad de control , la memoria y los dispositivos de entrada y salida (denominados colectivamente E/S). Estas partes están interconectadas por buses , a menudo hechos de grupos de cables . Dentro de cada una de estas partes hay miles o billones de pequeños circuitos eléctricos que pueden encenderse o apagarse por medio de un interruptor electrónico . Cada circuito representa un bit (dígito binario) de información de modo que cuando el circuito está encendido representa un "1", y cuando está apagado representa un "0" (en representación lógica positiva). Los circuitos están dispuestos en puertas lógicas de modo que uno o más de los circuitos puedan controlar el estado de uno o más de los otros circuitos.
Cuando se envían datos no procesados a la computadora con la ayuda de dispositivos de entrada, los datos se procesan y se envían a dispositivos de salida. Los dispositivos de entrada pueden ser manuales o automáticos. El acto de procesamiento está regulado principalmente por la CPU. Algunos ejemplos de dispositivos de entrada son:
Los medios a través de los cuales la computadora proporciona información se conocen como dispositivos de salida. Algunos ejemplos de dispositivos de salida son:
La unidad de control (a menudo llamada sistema de control o controlador central) administra los distintos componentes de la computadora; lee e interpreta (decodifica) las instrucciones del programa, transformándolas en señales de control que activan otras partes de la computadora. [d] Los sistemas de control en computadoras avanzadas pueden cambiar el orden de ejecución de algunas instrucciones para mejorar el rendimiento.
Un componente clave común a todas las CPU es el contador de programa , una celda de memoria especial (un registro ) que realiza un seguimiento de desde qué ubicación de la memoria se leerá la siguiente instrucción. [e]
La función del sistema de control es la siguiente (esta es una descripción simplificada y algunos de estos pasos pueden realizarse simultáneamente o en un orden diferente según el tipo de CPU):
Dado que el contador de programa es (conceptualmente) simplemente otro conjunto de celdas de memoria, se puede modificar mediante cálculos realizados en la ALU. Si se suma 100 al contador de programa, la siguiente instrucción se leerá desde un lugar 100 posiciones más abajo en el programa. Las instrucciones que modifican el contador de programa se conocen a menudo como "saltos" y permiten bucles (instrucciones que se repiten en la computadora) y, a menudo, la ejecución condicional de instrucciones (ambos ejemplos de flujo de control ).
La secuencia de operaciones que realiza la unidad de control para procesar una instrucción es en sí misma como un programa de computadora corto y, de hecho, en algunos diseños de CPU más complejos, hay otra computadora aún más pequeña llamada microsecuenciador , que ejecuta un programa de microcódigo que hace que sucedan todos estos eventos.
La unidad de control, la ALU y los registros se conocen colectivamente como unidad central de procesamiento (CPU). Las primeras CPU estaban compuestas por muchos componentes separados. Desde la década de 1970, las CPU se han construido típicamente en un solo chip de circuito integrado MOS llamado microprocesador .
La ALU es capaz de realizar dos clases de operaciones: aritméticas y lógicas. [119] El conjunto de operaciones aritméticas que admite una ALU en particular puede limitarse a la suma y la resta, o puede incluir multiplicación, división, funciones trigonométricas como seno, coseno, etc., y raíces cuadradas . Algunas pueden operar solo con números enteros ( enteros ) mientras que otras usan punto flotante para representar números reales , aunque con precisión limitada. Sin embargo, cualquier computadora que sea capaz de realizar solo las operaciones más simples puede programarse para descomponer las operaciones más complejas en pasos simples que pueda realizar. Por lo tanto, cualquier computadora puede programarse para realizar cualquier operación aritmética, aunque tomará más tiempo hacerlo si su ALU no admite directamente la operación. Una ALU también puede comparar números y devolver valores de verdad booleanos (verdadero o falso) dependiendo de si uno es igual, mayor o menor que el otro ("¿es 64 mayor que 65?"). Las operaciones lógicas implican lógica booleana : AND , OR , XOR y NOT . Pueden ser útiles para crear sentencias condicionales complicadas y procesar lógica booleana .
Las computadoras superescalares pueden contener múltiples ALU, lo que les permite procesar varias instrucciones simultáneamente. [120] Los procesadores gráficos y las computadoras con características SIMD y MIMD a menudo contienen ALU que pueden realizar operaciones aritméticas en vectores y matrices .
La memoria de un ordenador puede considerarse como una lista de celdas en las que se pueden introducir o leer números. Cada celda tiene una "dirección" numerada y puede almacenar un único número. Se puede indicar al ordenador que "ponga el número 123 en la celda 1357" o que "suma el número de la celda 1357 al número de la celda 2468 y ponga el resultado en la celda 1595". La información almacenada en la memoria puede representar prácticamente cualquier cosa. Letras, números e incluso instrucciones del ordenador se pueden introducir en la memoria con la misma facilidad. Como la CPU no diferencia entre distintos tipos de información, es responsabilidad del software dar significado a lo que la memoria ve como nada más que una serie de números.
En casi todos los ordenadores modernos, cada celda de memoria está configurada para almacenar números binarios en grupos de ocho bits (denominados bytes ). Cada byte puede representar 256 números diferentes (2 8 = 256); ya sea de 0 a 255 o de −128 a +127. Para almacenar números más grandes, se pueden utilizar varios bytes consecutivos (normalmente, dos, cuatro u ocho). Cuando se necesitan números negativos, normalmente se almacenan en notación de complemento a dos . Son posibles otras disposiciones, pero normalmente no se ven fuera de aplicaciones especializadas o contextos históricos. Un ordenador puede almacenar cualquier tipo de información en la memoria si se puede representar numéricamente. Los ordenadores modernos tienen miles de millones o incluso billones de bytes de memoria.
La CPU contiene un conjunto especial de celdas de memoria llamadas registros , en las que se puede leer y escribir mucho más rápido que en el área de memoria principal. Normalmente hay entre dos y cien registros, según el tipo de CPU. Los registros se utilizan para los elementos de datos que se necesitan con más frecuencia, a fin de evitar tener que acceder a la memoria principal cada vez que se necesitan datos. Como se trabaja con los datos constantemente, reducir la necesidad de acceder a la memoria principal (que suele ser lenta en comparación con la ALU y las unidades de control) aumenta en gran medida la velocidad del ordenador.
La memoria principal de la computadora viene en dos variedades principales:
La memoria RAM se puede leer y escribir en cualquier momento que la CPU lo ordene, pero la ROM está precargada con datos y software que nunca cambian, por lo tanto, la CPU solo puede leer desde ella. La ROM se usa típicamente para almacenar las instrucciones iniciales de arranque de la computadora. En general, el contenido de la RAM se borra cuando se apaga la computadora, pero la ROM retiene sus datos indefinidamente. En una PC, la ROM contiene un programa especializado llamado BIOS que organiza la carga del sistema operativo de la computadora desde la unidad de disco duro a la RAM cada vez que la computadora se enciende o se reinicia. En las computadoras integradas , que con frecuencia no tienen unidades de disco, todo el software requerido puede almacenarse en la ROM. El software almacenado en la ROM a menudo se llama firmware , porque en teoría se parece más al hardware que al software. La memoria flash difumina la distinción entre ROM y RAM, ya que retiene sus datos cuando se apaga pero también es reescribible. Sin embargo, generalmente es mucho más lenta que la ROM y la RAM convencionales, por lo que su uso está restringido a aplicaciones donde la alta velocidad es innecesaria. [f]
En los ordenadores más sofisticados puede haber una o más memorias caché de RAM , que son más lentas que los registros pero más rápidas que la memoria principal. Generalmente los ordenadores con este tipo de caché están diseñados para mover datos que se necesitan con frecuencia a la caché de forma automática, a menudo sin necesidad de intervención alguna por parte del programador.
La E/S es el medio por el cual una computadora intercambia información con el mundo exterior. [122] Los dispositivos que proporcionan entrada o salida a la computadora se denominan periféricos . [123] En una computadora personal típica, los periféricos incluyen dispositivos de entrada como el teclado y el mouse , y dispositivos de salida como la pantalla y la impresora . Las unidades de disco duro , las unidades de disquete y las unidades de disco óptico sirven como dispositivos de entrada y salida. La red de computadoras es otra forma de E/S. Los dispositivos de E/S a menudo son computadoras complejas por derecho propio, con su propia CPU y memoria. Una unidad de procesamiento de gráficos puede contener cincuenta o más computadoras diminutas que realizan los cálculos necesarios para mostrar gráficos en 3D . [ cita requerida ] Las computadoras de escritorio modernas contienen muchas computadoras más pequeñas que ayudan a la CPU principal a realizar la E/S. Una pantalla plana de la era de 2016 contiene su propio circuito de computadora.
Aunque se puede pensar que una computadora ejecuta un programa gigantesco almacenado en su memoria principal, en algunos sistemas es necesario dar la apariencia de ejecutar varios programas simultáneamente. Esto se logra mediante la multitarea, es decir, haciendo que la computadora cambie rápidamente entre la ejecución de cada programa por turno. [124] Un medio por el cual se hace esto es con una señal especial llamada interrupción , que puede hacer que la computadora deje de ejecutar instrucciones periódicamente donde estaba y haga otra cosa en su lugar. Al recordar dónde estaba ejecutando antes de la interrupción, la computadora puede volver a esa tarea más tarde. Si varios programas se están ejecutando "al mismo tiempo", entonces el generador de interrupciones puede estar causando varios cientos de interrupciones por segundo, lo que provoca un cambio de programa cada vez. Dado que las computadoras modernas generalmente ejecutan instrucciones varios órdenes de magnitud más rápido que la percepción humana, puede parecer que muchos programas se están ejecutando al mismo tiempo aunque solo uno se esté ejecutando en un instante dado. Este método de multitarea a veces se denomina "tiempo compartido", ya que a cada programa se le asigna una "porción" de tiempo por turno. [125]
Antes de la era de los ordenadores baratos, el uso principal de la multitarea era permitir que muchas personas compartieran el mismo ordenador. Aparentemente, la multitarea haría que un ordenador que cambia entre varios programas funcione más lentamente, en proporción directa a la cantidad de programas que esté ejecutando, pero la mayoría de los programas pasan gran parte de su tiempo esperando a que los dispositivos de entrada/salida lentos completen sus tareas. Si un programa está esperando a que el usuario haga clic con el ratón o presione una tecla del teclado, no se tomará un "fragmento de tiempo" hasta que se produzca el evento que está esperando. Esto libera tiempo para que se ejecuten otros programas, de modo que se puedan ejecutar muchos programas simultáneamente sin una pérdida de velocidad inaceptable.
Algunas computadoras están diseñadas para distribuir su trabajo entre varias CPU en una configuración de multiprocesamiento, una técnica que antes solo se empleaba en máquinas grandes y potentes, como supercomputadoras , mainframes y servidores . Las computadoras personales y portátiles multiprocesador y multinúcleo (varias CPU en un solo circuito integrado) están ahora ampliamente disponibles y, como resultado, se utilizan cada vez más en los mercados de gama baja.
Las supercomputadoras, en particular, suelen tener arquitecturas muy singulares que difieren significativamente de la arquitectura básica de programas almacenados y de las computadoras de propósito general. [g] A menudo cuentan con miles de CPU, interconexiones personalizadas de alta velocidad y hardware informático especializado. Dichos diseños tienden a ser útiles solo para tareas especializadas debido a la gran escala de organización del programa requerida para utilizar la mayoría de los recursos disponibles a la vez. Las supercomputadoras suelen utilizarse en aplicaciones de simulación a gran escala , renderizado de gráficos y criptografía , así como con otras tareas denominadas " vergonzosamente paralelas ".
El software se refiere a las partes de la computadora que no tienen una forma material, como programas, datos, protocolos, etc. El software es la parte de un sistema informático que consiste en información codificada o instrucciones de computadora, en contraste con el hardware físico a partir del cual se construye el sistema. El software de computadora incluye programas de computadora, bibliotecas y datos no ejecutables relacionados , como documentación en línea o medios digitales . A menudo se divide en software de sistema y software de aplicación . El hardware y el software de la computadora se requieren mutuamente y ninguno puede usarse de manera realista por sí solo. Cuando el software se almacena en hardware que no se puede modificar fácilmente, como con la ROM BIOS en una computadora compatible con IBM PC , a veces se lo llama "firmware".
Hay miles de lenguajes de programación diferentes: algunos pensados para uso general, otros útiles sólo para aplicaciones altamente especializadas.
The defining feature of modern computers which distinguishes them from all other machines is that they can be programmed. That is to say that some type of instructions (the program) can be given to the computer, and it will process them. Modern computers based on the von Neumann architecture often have machine code in the form of an imperative programming language. In practical terms, a computer program may be just a few instructions or extend to many millions of instructions, as do the programs for word processors and web browsers for example. A typical modern computer can execute billions of instructions per second (gigaflops) and rarely makes a mistake over many years of operation. Large computer programs consisting of several million instructions may take teams of programmers years to write, and due to the complexity of the task almost certainly contain errors.
This section applies to most common RAM machine–based computers.
In most cases, computer instructions are simple: add one number to another, move some data from one location to another, send a message to some external device, etc. These instructions are read from the computer's memory and are generally carried out (executed) in the order they were given. However, there are usually specialized instructions to tell the computer to jump ahead or backwards to some other place in the program and to carry on executing from there. These are called "jump" instructions (or branches). Furthermore, jump instructions may be made to happen conditionally so that different sequences of instructions may be used depending on the result of some previous calculation or some external event. Many computers directly support subroutines by providing a type of jump that "remembers" the location it jumped from and another instruction to return to the instruction following that jump instruction.
Program execution might be likened to reading a book. While a person will normally read each word and line in sequence, they may at times jump back to an earlier place in the text or skip sections that are not of interest. Similarly, a computer may sometimes go back and repeat the instructions in some section of the program over and over again until some internal condition is met. This is called the flow of control within the program and it is what allows the computer to perform tasks repeatedly without human intervention.
Comparatively, a person using a pocket calculator can perform a basic arithmetic operation such as adding two numbers with just a few button presses. But to add together all of the numbers from 1 to 1,000 would take thousands of button presses and a lot of time, with a near certainty of making a mistake. On the other hand, a computer may be programmed to do this with just a few simple instructions. The following example is written in the MIPS assembly language:
begin: addi $8, $0, 0 # initialize sum to 0 addi $9, $0, 1 # set first number to add = 1 loop: slti $10, $9, 1000 # check if the number is less than 1000 beq $10, $0, finish # if odd number is greater than n then exit add $8, $8, $9 # update sum addi $9, $9, 1 # get next number j loop # repeat the summing process finish: add $2, $8, $0 # put sum in output registerOnce told to run this program, the computer will perform the repetitive addition task without further human intervention. It will almost never make a mistake and a modern PC can complete the task in a fraction of a second.
In most computers, individual instructions are stored as machine code with each instruction being given a unique number (its operation code or opcode for short). The command to add two numbers together would have one opcode; the command to multiply them would have a different opcode, and so on. The simplest computers are able to perform any of a handful of different instructions; the more complex computers have several hundred to choose from, each with a unique numerical code. Since the computer's memory is able to store numbers, it can also store the instruction codes. This leads to the important fact that entire programs (which are just lists of these instructions) can be represented as lists of numbers and can themselves be manipulated inside the computer in the same way as numeric data. The fundamental concept of storing programs in the computer's memory alongside the data they operate on is the crux of the von Neumann, or stored program, architecture.[127][128] In some cases, a computer might store some or all of its program in memory that is kept separate from the data it operates on. This is called the Harvard architecture after the Harvard Mark I computer. Modern von Neumann computers display some traits of the Harvard architecture in their designs, such as in CPU caches.
While it is possible to write computer programs as long lists of numbers (machine language) and while this technique was used with many early computers,[h] it is extremely tedious and potentially error-prone to do so in practice, especially for complicated programs. Instead, each basic instruction can be given a short name that is indicative of its function and easy to remember – a mnemonic such as ADD, SUB, MULT or JUMP. These mnemonics are collectively known as a computer's assembly language. Converting programs written in assembly language into something the computer can actually understand (machine language) is usually done by a computer program called an assembler.
Programming languages provide various ways of specifying programs for computers to run. Unlike natural languages, programming languages are designed to permit no ambiguity and to be concise. They are purely written languages and are often difficult to read aloud. They are generally either translated into machine code by a compiler or an assembler before being run, or translated directly at run time by an interpreter. Sometimes programs are executed by a hybrid method of the two techniques.
Machine languages and the assembly languages that represent them (collectively termed low-level programming languages) are generally unique to the particular architecture of a computer's central processing unit (CPU). For instance, an ARM architecture CPU (such as may be found in a smartphone or a hand-held videogame) cannot understand the machine language of an x86 CPU that might be in a PC.[i] Historically a significant number of other cpu architectures were created and saw extensive use, notably including the MOS Technology 6502 and 6510 in addition to the Zilog Z80.
Although considerably easier than in machine language, writing long programs in assembly language is often difficult and is also error prone. Therefore, most practical programs are written in more abstract high-level programming languages that are able to express the needs of the programmer more conveniently (and thereby help reduce programmer error). High level languages are usually "compiled" into machine language (or sometimes into assembly language and then into machine language) using another computer program called a compiler.[j] High level languages are less related to the workings of the target computer than assembly language, and more related to the language and structure of the problem(s) to be solved by the final program. It is therefore often possible to use different compilers to translate the same high level language program into the machine language of many different types of computer. This is part of the means by which software like video games may be made available for different computer architectures such as personal computers and various video game consoles.
Program design of small programs is relatively simple and involves the analysis of the problem, collection of inputs, using the programming constructs within languages, devising or using established procedures and algorithms, providing data for output devices and solutions to the problem as applicable.[129] As problems become larger and more complex, features such as subprograms, modules, formal documentation, and new paradigms such as object-oriented programming are encountered.[130] Large programs involving thousands of line of code and more require formal software methodologies.[131] The task of developing large software systems presents a significant intellectual challenge.[132] Producing software with an acceptably high reliability within a predictable schedule and budget has historically been difficult;[133] the academic and professional discipline of software engineering concentrates specifically on this challenge.[134]
Errors in computer programs are called "bugs". They may be benign and not affect the usefulness of the program, or have only subtle effects. However, in some cases they may cause the program or the entire system to "hang", becoming unresponsive to input such as mouse clicks or keystrokes, to completely fail, or to crash.[135] Otherwise benign bugs may sometimes be harnessed for malicious intent by an unscrupulous user writing an exploit, code designed to take advantage of a bug and disrupt a computer's proper execution. Bugs are usually not the fault of the computer. Since computers merely execute the instructions they are given, bugs are nearly always the result of programmer error or an oversight made in the program's design.[k] Admiral Grace Hopper, an American computer scientist and developer of the first compiler, is credited for having first used the term "bugs" in computing after a dead moth was found shorting a relay in the Harvard Mark II computer in September 1947.[136]
Computers have been used to coordinate information between multiple locations since the 1950s. The U.S. military's SAGE system was the first large-scale example of such a system, which led to a number of special-purpose commercial systems such as Sabre.[137] In the 1970s, computer engineers at research institutions throughout the United States began to link their computers together using telecommunications technology. The effort was funded by ARPA (now DARPA), and the computer network that resulted was called the ARPANET.[138] The technologies that made the Arpanet possible spread and evolved.
In time, the network spread beyond academic and military institutions and became known as the Internet. The emergence of networking involved a redefinition of the nature and boundaries of the computer. Computer operating systems and applications were modified to include the ability to define and access the resources of other computers on the network, such as peripheral devices, stored information, and the like, as extensions of the resources of an individual computer. Initially these facilities were available primarily to people working in high-tech environments, but in the 1990s the spread of applications like e-mail and the World Wide Web, combined with the development of cheap, fast networking technologies like Ethernet and ADSL saw computer networking become almost ubiquitous. In fact, the number of computers that are networked is growing phenomenally. A very large proportion of personal computers regularly connect to the Internet to communicate and receive information. "Wireless" networking, often utilizing mobile phone networks, has meant networking is becoming increasingly ubiquitous even in mobile computing environments.
A computer does not need to be electronic, nor even have a processor, nor RAM, nor even a hard disk. While popular usage of the word "computer" is synonymous with a personal electronic computer,[l] a typical modern definition of a computer is: "A device that computes, especially a programmable [usually] electronic machine that performs high-speed mathematical or logical operations or that assembles, stores, correlates, or otherwise processes information."[139] According to this definition, any device that processes information qualifies as a computer.
There is active research to make unconventional computers out of many promising new types of technology, such as optical computers, DNA computers, neural computers, and quantum computers. Most computers are universal, and are able to calculate any computable function, and are limited only by their memory capacity and operating speed. However different designs of computers can give very different performance for particular problems; for example quantum computers can potentially break some modern encryption algorithms (by quantum factoring) very quickly.
There are many types of computer architectures:
Of all these abstract machines, a quantum computer holds the most promise for revolutionizing computing.[140] Logic gates are a common abstraction which can apply to most of the above digital or analog paradigms. The ability to store and execute lists of instructions called programs makes computers extremely versatile, distinguishing them from calculators. The Church–Turing thesis is a mathematical statement of this versatility: any computer with a minimum capability (being Turing-complete) is, in principle, capable of performing the same tasks that any other computer can perform. Therefore, any type of computer (netbook, supercomputer, cellular automaton, etc.) is able to perform the same computational tasks, given enough time and storage capacity.
A computer will solve problems in exactly the way it is programmed to, without regard to efficiency, alternative solutions, possible shortcuts, or possible errors in the code. Computer programs that learn and adapt are part of the emerging field of artificial intelligence and machine learning. Artificial intelligence based products generally fall into two major categories: rule-based systems and pattern recognition systems. Rule-based systems attempt to represent the rules used by human experts and tend to be expensive to develop. Pattern-based systems use data about a problem to generate conclusions. Examples of pattern-based systems include voice recognition, font recognition, translation and the emerging field of on-line marketing.
As the use of computers has spread throughout society, there are an increasing number of careers involving computers.
The need for computers to work well together and to be able to exchange information has spawned the need for many standards organizations, clubs and societies of both a formal and informal nature.
Konrad Zuse earned the semiofficial title of 'inventor of the modern computer'[who?]
von Neumann ... firmly emphasized to me, and to others I am sure, that the fundamental conception is owing to Turing—insofar as not anticipated by Babbage, Lovelace and others.Letter by Stanley Frankel to Brian Randell, 1972.
The relative simplicity and low power requirements of MOSFETs have fostered today's microcomputer revolution.
It is called the stored program architecture or stored program model, also known as the von Neumann architecture. We will use these terms interchangeably.
The experience of SAGE helped make possible the first truly large-scale commercial real-time network: the SABRE computerized airline reservations system
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