Pregunta:
¿Qué avances en ingeniería allanaron el camino para las computadoras "modernas"?
Tom Au
2015-01-23 05:16:45 UTC
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Por "computadoras modernas" me refiero a las computadoras programables electrónicas, como las que se desarrollaron a mediados del siglo XX.

Tengo entendido que las primeras computadoras, como las "máquinas de calcular" de Charles Babbage, funcionaron principalmente en principios mecánicos, como un "ábaco" moderno. Aparentemente, las máquinas posteriores tenían una base más electrónica. Estoy hablando de computadoras que evolucionaron desde el uso de tubos de vacío hasta transistores, circuitos integrados y, en última instancia, chips de silicio.

¿Qué avances de ingeniería permitieron que ocurriera la transición anterior de medios físicos (por ejemplo, tubos de vacío) a electrónicos? medios (por ejemplo, transistores) cuando lo hizo (mediados del siglo XX)?

¿Contaría el transistor mismo?
@HDE226868: Sí, con un poco de información sobre cómo se "diseñó" y cómo afectó a las computadoras. Ve a por ello.
Las computadoras se inventaron para descifrar las comunicaciones de la Segunda Guerra Mundial incluidas, si eso es lo que estás preguntando.
@VladimirCravero: Yo caracterizaría su respuesta como "cálida". En su contexto, la pregunta sería: "¿Qué avances de la ingeniería llevaron a estos avances en la comunicación, que llevaron al desarrollo de las computadoras?"
bueno, supongo que depende de lo que quieras decir con computadora. La máquina de Turing se teorizó antes de la Segunda Guerra Mundial, pero durante la guerra trabajó como criptoanalista (sry para la ortografía) y pudo construir algunas plataformas agradables que fueron las primeras computadoras programables.
@VladimirCravero: Escribí "computadoras electrónicas programables".
Esta pregunta es realmente demasiado amplia. Tendríamos que escribir un libro completo para responder. Una pregunta separada sobre los tubos de vacío, por ejemplo, podría tener más sentido.
Tres respuestas:
#1
+9
HDE 226868
2015-01-23 06:01:28 UTC
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El transistor

El transistor fue el reemplazo revolucionario del tubo de vacío, que había estado en el corazón de las computadoras durante la primera mitad del siglo XX. Los tubos de vacío en sí mismos tenían solo dos problemas principales: tenían mucha energía y eran relativamente grandes. Relativo a sus reemplazos, eso es. También tenían una tendencia a quemarse o tener fugas durante la operación, lo que podría resultar desastroso.

En 1947, John Bardeen y Walter Brattain, junto con William Shockley, su jefe en Bell Labs, amplificó con éxito una corriente eléctrica, utilizando germanio. Este "transistor de contacto puntual", como se le llamó, pronto se utilizó para acelerar la computación y hacer que las computadoras sean más pequeñas y eficientes.

Un buen ejemplo del transistor y el tubo de vacío es la construcción de Manchester Computers, desarrollado en la Universidad de Manchester. La primera, la Small-Scale Experimental Machine (SSEM) (desarrollada en 1947), fue un banco de pruebas de última generación para nuevas innovaciones en informática, como el tubo de Williams. Pero todavía usaba tubos de vacío. Tenía 550 válvulas y consumía 3500 vatios de potencia.

El sucesor del SSEM, el Manchester Mark 1 (desarrollado en 1949), era mucho más potente. Usó 4050 válvulas y consumió 25000 vatios de potencia. Sin embargo, la computadora de transistores, con el nombre adecuado, construida en 1955, usó solo 200 transistores y 1300 diodos, y solo usó 150 vatios. No fue la primera computadora en usar exclusivamente tubos de vacío, pero fue un gran paso adelante.

Es difícil decir exactamente por qué se creó el transistor cuando se creó (estoy respondiendo la última parte de su pregunta ahora), pero se podría argumentar que los avances computacionales de la Segunda Guerra Mundial (como el Harvard Mark I) aseguraron que se realizarían muchos avances nuevos en computación; el transistor resultó ser uno de ellos.

El circuito integrado

El circuito integrado, desarrollado aproximadamente una década después del transistor, también tuvo profundos efectos en la informática. Fue desarrollado por Jack Kilby en 1958, aunque muchos otros participaron en el camino, y existen disputas sobre quién debería obtener el crédito por haberlo inventado primero, en Texas Instrumentos Usó semiconductores para crear un chip de computadora completo: el circuito integrado.

Un circuito integrado puede contener cantidades increíbles de transistores, y es esta complejidad y compacidad lo que lo hace tan útil . La fabricación también fue mucho más fácil y rápida. Los circuitos integrados iniciaron una segunda revolución informática, que sentó las bases para computadoras más baratas que podrían estar disponibles para las masas.


Ahora que la pregunta se centra en la transición entre tubos de vacío y transistores, yo ' Me gustaría agregar algo sobre semiconductores, porque desempeñan un papel clave en los transistores.

Los semiconductores permiten una buena conducción de la electricidad, pero una de sus propiedades realmente útiles es que su conducción se puede modificar en un proceso llamado dopaje de semiconductores. Esto agrega "impurezas" al semiconductor, agregando electrones o huecos. Los semiconductores pueden ser de tipo n o de tipo p: los semiconductores de tipo n tienen un exceso de electrones, mientras que los semiconductores de tipo p tienen un exceso de huecos. Estos pueden combinarse para formar un diodo.

Otro desarrollo relevante fue la creación del proceso Czochralski, que permite cultivar cristales para semiconductores. Esto también implica el dopaje de semiconductores y ha permitido la producción de semiconductores a gran escala, lo que facilita la construcción de transistores.


¿Existen otras tecnologías que han sido cruciales para el desarrollo de computadoras? Por supuesto. Podría citar el tubo de vacío, el tubo de rayos catódicos, las unidades de estado sólido y muchos otros como cruciales para el desarrollo de computadoras. Pero el transistor y el circuito integrado fueron los dos actores principales en el desarrollo de la "computadora moderna" en el período de tiempo relevante aquí: mediados del siglo XX. Supongo que podría presentar casos para otras tecnologías, pero ciertamente las clasificaría en la parte superior de la lista.

"Los tubos de vacío en sí mismos tenían sólo dos problemas principales: tenían mucha energía y eran relativamente grandes". Agregue un tercero: propenso a fallas. Quemar el filamento era tan común que en las primeras computadoras todo un equipo dedicado a la tarea de reemplazar los tubos estaba en espera, y se requería mucha redundancia, porque las lámparas * se * quemaban antes de que se completara el cálculo.
#2
+8
Dave Tweed
2015-01-24 06:41:19 UTC
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Todavía estoy confundido acerca de lo que quiere decir con "avances de ingeniería". Para mí, cosas como tubos de vacío, transistores y circuitos integrados son tecnologías , y la ingeniería se trata de aplicar esas tecnologías a problemas del mundo real, como la construcción de computadoras.

Los ingenieros normalmente han llevado cada tecnología disponible a su límite práctico, hasta el punto en que otros problemas se vuelven predominantes. Ejemplos de esto incluirían:

  • La capacidad de mecanizar las partes individuales del molino de Babbage con suficiente precisión para que funcione de manera precisa y confiable. Esto se convirtió en el límite de lo compleja que podía ser una calculadora mecánica.
  • Hacer que los tubos de vacío sean confiables lo suficientemente como para poder operar decenas de miles de ellos durante al menos unas horas antes de que uno de ellos se quemaron. Esto se convirtió en el límite de lo compleja que podía ser una computadora de tubo de vacío.

¿Son estos el tipo de problemas de ingeniería que está buscando?

Con los circuitos integrados, la tecnología principal actual, los problemas de ingeniería incluyen cosas como el tamaño mínimo de las características, la disipación de potencia estática y dinámica y las densidades de defectos. Es un problema complejo encontrar la mejor combinación de parámetros que resulte en los chips más rentables (¡y rentables!).

¿Cómo permitió el descubrimiento de tubos de vacío, transistores y circuitos integrados? personas para "diseñar" computadoras de una manera que no lo habían hecho antes?

Como dije, las propiedades físicas de las piezas mecánicas y la capacidad de mecanizarlas limitaban con precisión tanto la velocidad como la complejidad de las computadoras mecánicas y electromecánicas (basadas en relés).

La capacidad de producir en masa tubos de vacío confiables hizo posible construir circuitos puramente electrónicos que igualaron (y eventualmente excedieron) la complejidad de la lógica basada en relés, mientras operaban a velocidades mucho más altas: decenas y centenas de kHz, en lugar de decenas de ciclos por segundo o menos. Sin embargo, la confiabilidad de los filamentos del tubo finalmente se convirtió en el problema dominante, una vez que las computadoras llegaron al punto de necesitar decenas de miles de ellos.

El desarrollo del transistor permitió que los circuitos se redujeran al menos en un orden. de magnitud, pero lo que es más importante, el MTBF de los transistores excedió al de los tubos en varios órdenes de magnitud. Ambas ventajas permitieron el desarrollo de computadoras más complejas. Pero el tamaño físico del transistor en su paquete aún presentaba un problema en términos del tamaño de la computadora, y la gran cantidad de conexiones discretas aún presentaba un problema de confiabilidad.

El circuito integrado ha resuelto ambos esos problemas, con millones de transistores abarrotados en el volumen que requiere un solo transistor discreto, y las conexiones se realizan mediante el patrón de metal directamente en la superficie del IC. Tanto la complejidad como la velocidad de las computadoras han crecido a pasos agigantados a medida que aprendimos a crear patrones cada vez más finos en la superficie de los chips. Apenas estamos comenzando a ver algunos límites fundamentales sobre hasta dónde podemos llevar esto antes de que necesitemos una nueva tecnología fundamental.

Quizás otra forma de plantear la pregunta es algo como, ¿cómo el descubrimiento de tubos de vacío, transistores y circuitos integrados permitió a las personas "diseñar" computadoras de una manera que no lo habían hecho antes?
Ver edición arriba. ¿Nos estamos acercando a lo que estás buscando?
#3
+5
Thorsten S.
2015-04-19 03:41:54 UTC
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HDE 226868 ya mencionó el transistor en detalle, por lo que agregaré muchos, muchos avances tecnológicos y antecedentes teóricos para la evolución de la computadora.

  • Metalurgia
    Para el mercado masivo, necesita métodos baratos y fiables para producir los elementos electrónicos deseados. Para la producción en masa se necesitan circuitos integrados y eso significa que, especialmente si se reduce a pequeñas dimensiones, se necesita material base homogéneo de alta calidad. Solo con obleas de silicio de alta calidad esto fue posible y mientras que el proceso Czochralski de 1916 es barato, no dio tan buenos resultados para el silicio como fusión de zonas que se inventó en 1950/51.

  • Álgebra de Boolsche und Cybernetics . El álgebra lógica desarrollada por Boole permitió construir computadoras en estados binarios. Si alguna vez tuvo el placer de probar el uso de sistemas decimales en una máquina electrónica (BCD), verá cuán increíblemente fácil es implementar funciones lógicas y numéricas. Con la complejidad progresiva, también fue necesario inventar los antecedentes necesarios para desarrollar y controlar sistemas electrónicos complejos, por lo que la cibernética comenzó a desarrollarse como un nuevo estudio.Realmente no se puede subestimar lo que hicieron Babbage y luego von Neumann: en lugar de construir modelos especializados para Tareas que inventaron la idea de una máquina programable: Proporcione bloques de construcción simples de comandos y exprese su solución con estos comandos simples en lugar de volver a cablear la máquina (¡Quizás todavía hay algunas personas aquí que literalmente "reprogramaron" computadoras reconectando partes!). Permitir la ejecución condicional. Trate los datos y el programa como una unidad. Nació la computadora de uso general.

  • Fotografía y química Solo la fotografía pudo brindarle a la gente la posibilidad de reducir las soluciones desarrolladas de manera económica, sólida y eficiente. Sin la foto litografía y el desarrollo de productos químicos que permitan el grabado de estructuras microscópicas, las computadoras podrían ser pequeñas, pero serían extremadamente caras.



Esta pregunta y respuesta fue traducida automáticamente del idioma inglés.El contenido original está disponible en stackexchange, a quien agradecemos la licencia cc by-sa 3.0 bajo la que se distribuye.
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