calcolatori

VII. 4. I calcolatori degli anni '40

Model 1

L'opera di Stibitz [96] ebbe inizio nell'estate del 1937 con la costruzione di un "addizionatore da cucina". Stibitz aveva portato a casa alcuni relè telefonici e li aveva assemblati nella sua cucina (da cui il nome dell'apparecchio), su di un supporto di legno. Vi erano unicamente due lampadine che si accendevano se la somma era 1 e si spegnevano se corrispondeva a 0.
Da qui, Stibitz iniziò a costruire dei circuiti più sofisticati, che potevano sottrarre, moltiplicare e dividere. Il primo calcolatore a relè binario fu costruito tra l'aprile e e l'ottobre del 1939 e venne chiamato "calcolatore a relè telefonici dei laboratori Bell, modello 1". La sua struttura era semplice: un'unità composta da 400-450 relè si occupava dei calcoli e una telescrivente modificata serviva ad introdurre i problemi e a leggere i risultati. La macchina poteva addizionare due numeri decimali di otto cifre in un decimo di secondo e moltiplicare due grandi numeri in un minuto. Pur non essendo molto rapida, era facile da usare. Quattro altri modelli seguirono questa macchina, fino al Model V, completato nel 1946, sempre con una tecnologia basata sui relè. Era formato da 9000 relè, pesava 10 tonnellate e occupava una superficie di 105 metri quadrati.

Harvard Mark 1

L'idea di una macchina calcolatrice universale secondo la concezione di Babbage rivisse negli Stati Uniti e successivamente in Inghilterra (oltre che in Germania) a cominciare dal 1938, anno nel quale il prof. Aiken dell'Università di Harvard, con la collaborazione della IBM, iniziò il progetto del calcolatore Mark 1 (completato nel 1944). Si trattò del primo calcolatore con registro, ovvero memoria, governato da un programma. Esso operava in numeri decimali ed era, ovviamente, elettromeccanico: un motore elettrico azionava un asse di trasmissione centrale che correva lungo tutta la macchina. Il termine "registro" e l'idea che ne è alla base sembrano essere stati usati da Aiken per la prima volta, a proposito di questa macchina. Il registro è un dispositivo che permette di registrare la rappresentazione fisica dell'informazione nella macchina stessa. Quindi, costituisce quello che ormai viene chiamato "memoria". Il Mark 1 era costituito da relè e selettori rotanti ed eseguiva, su numeri decimali di 23 cifre, operazioni la cui successione era controllata da un nastro di carta perforata al ritmo di 200 operazioni al minuto. Il suo aspetto esteriore era impressionante: misurava 16,60 metri di lunghezza, 2,60 di altezza e conteneva 800000 elementi. Pesava 5 tonnellate e occorrevano enormi quantità di ghiaccio ogni giorno per raffreddarla. La programmazione fu tuttavia limitata, rispetto a quella concepita da Babbage, dal fatto che vi erano solo due alternative possibili: continuare con l'operazione successiva o fermarsi. Mark 1 venne intensamente usato per il calcolo di ogni genere di tabelle numeriche. Negli otto anni seguenti, Aiken costruì altri tre modelli di questo tipo. Il Mark 2 venne messo in cantiere fin dal 1944 e, a partire dal 1949, il Mark 3, che era elettronico con una memoria a tamburo. Il Mark 6 avrà, nel 1952, una delle prime memorie a tori di ferrite.

La serie degli Z

Lo Z1 di Konrad Zuse.

A Konrad Zuse [97] spetta l'incontestabile merito di aver costruito il primo calcolatore universale binario governato da un programma. Questa macchina funzionava secondo una serie di istruzioni che indicavano il codice operativo, la locazione di memoria e quella del risultato (la locazione è un codice che indica una specifica zona in una parte della memoria). La cosa più stupefacente era che, mentre gli americani disponevano di numerosi gruppi di ricerca e di un consistente aiuto finanziario da parte dell'esercito, Zuse lavorava da solo, in un ambiente, all'inizio, sfavorevole. Fortemente motivato dal desiderio di trasferire a una macchina i calcoli più complessi che un uomo potesse eseguire, dal 1936 al 1938 Zuse installerà, nel salotto dei suoi genitori, un primo prototipo meccanico del suo progetto, lo Z1. Questa macchina, completamente meccanica, era formata da un insieme di ripiani mobili. Le varie posizioni assunte da uno stilo in una fenditura su un ripiano rigato ne costituivano la memoria. La posizione, a sinistra o a destra dello stilo, rappresentava uno 0 oppure un 1. La memoria era formata da un migliaio di ripiani, che costituivano altrettante cifre binarie.
Purtroppo, la macchina non funzionava molto bene e, inoltre, il salotto di famiglia era troppo piccolo. Di conseguenza, Zuse decise, per costruire lo Z2, di sostituire le parti meccaniche dell'unità aritmetica con dei relè telefonici. Si trattava di commutatori elettromeccanici del tipo "aperto/chiuso", che aumentavano la velocità di calcolo, in quanto operavano parecchie centinaia di volte al minuto. L'unità aritmetica era connessa alla memoria, che rimaneva quella dello Z1.
Una volta richiamato alle armi e assegnato alla fabbrica di aerei Henschel, Zuse costruì, con un gruppo di circa quindici persone, lo Z3 [98], il primo calcolatore universale governato da un programma, che venne completato nel dicembre del 1941. Si trattava di una piccola macchina, con un lettore di nastri, una console per l'operatore e due tipi di pannelli contenenti 2600 relè. Era fornita di una memoria di 64 numeri di 22 bit ed eseguiva una moltiplicazione in tre-cinque secondi. Poteva anche estrarre le radici quadrate, ma, in ogni caso, i valori iniziali dovevano essere introdotti a mano nella memoria. Il programma era costituito da una serie di istruzioni fornite progressivamente su nastri alla macchina e che le indicavano le operazioni che doveva eseguire. Un simile calcolatore era chiamato "universale" dal momento che non era abilitato ad eseguire una sola serie di calcoli.
Poco tempo dopo, Zuse costruì lo Z4, basandosi sullo stesso principio, ma migliorandone la velocità e la potenza.
Durante i bombardamenti sistematici angloamericani del 1944, le installazioni di Zuse furono frequentemente danneggiate e lo Z4 dovette essere spostato varie volte, mentre il modello precedente, lo Z3, venne distrutto nell'aprile del 1945 da un bombardamento. Proprio prima della fine della guerra, Zuse, col suo gruppo di collaboratori, poté lasciare Berlino, portando con sé il suo calcolatore, parzialmente smontato. Dopo varie peripezie che lo hanno visto in viaggio per tutto il centro Europa, Zuse poté portare la sua macchina a Zurigo, dove fu installata, nel 1950, nel Politecnico federale.
Vi fu, in seguito, tutta una serie di macchine discendenti dallo Z4, che rappresentarono per molto tempo, in Europa, i soli calcolatori di una certa grandezza.

ABC

I primi a lanciarsi nell'avventura di un calcolatore che funzionasse con tubi a vuoto furono John V. Atanasoff e Clifford Berry [99] che, nel 1939, idearono insieme l'ABC (Atanasoff-Berry Computer). Questa macchina, decisamente rivoluzionaria, utilizzava, inoltre, il sistema binario derivato dall'algebra di Boole. Non essendo purtroppo programmabile, era, per questo motivo, molto lenta, in quanto non utilizzava la velocità potenziale di una macchina completamente elettronica. Il suo orologio interno aveva solo 60 pulsazioni al secondo, prestazione per la quale non era necessario servirsi dell'elettronica. L'unità di addizione e sottrazione conteneva 210 tubi: altri 30 controllavano il lettore e l'editore delle schede. La memoria era formata da due tamburi rotanti, versioni primitive di quelli della fine degli anni '40 e dell'inizio degli anni '50. La parte più fragile era l'editore delle schede perforate sul quale si leggevano i risultati: si guastava ogni centinaio di migliaia di volte circa, una frequenza sufficiente a escludere l'esecuzione delle equazioni lineari, che necessitava di un'infinità di cifre binarie. La macchina era stata ideata per risolvere simultaneamente equazioni lineari, differenziali e calcolare tavole per operazioni balistiche. La sua costruzione fu conclusa nella primavera del 1942. All'inizio, Atanasoff aveva chiamato il suo apparecchio semplicemente "macchina calcolatrice"; il nome ABC verrà coniato solo qualche anno dopo. L'ABC venne smantellato nel 1948 ed ispirerà direttamente le future macchine elettroniche, in particolare l'ENIAC.

ENIAC

Nel 1946 presso la Moore School of Electrical Engineering dell'Università di Pennsylvania, J. W. Mauchly e J. P. Eckert completarono la prima macchina interamente elettronica [100] ad alta velocità, chiamata ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). La sua struttura poteva considerarsi come un analogo elettrico del Mark 1, rispetto al quale risultava molte centinaia di volte più veloce.
L'ENIAC operava su variabili discrete: era capace di eseguire le operazioni aritmetiche come l'addizione, la sottrazione, la moltiplicazione, la divisione e l'estrazione di radici quadrate su numeri (con segno) in forma decimale. Inoltre, si ricordava i numeri letti da carte perforate o memorizzati sugli interruttori delle sue "function table" o ottenuti nel processo di elaborazione, e li rendeva disponibili quando necessario. Registrava i suoi risultati su carte perforate dalle quali potevano essere stampate automaticamente delle tabelle. Infine, una volta comandato di eseguire una "routine" consistente di operazioni del suo repertorio, eseguiva la "routine" senza ulteriore intervento dell'uomo. Se appropriatamente programmato, poteva eseguire operazioni matematiche complesse come l'integrazione numerica e la derivazione.
I segnali fondamentali usati dall'ENIAC erano generati dal suo oscillatore ad una frequenza di 100000 al secondo. L'intervallo tra segnali successivi, indicato col termine "pulse time", era di 10 microsecondi: così un'addizione veniva eseguita in 20 pulse time, mentre una moltiplicazione a 10 cifre in 280 pulse time.
Concretamente, l'ENIAC consisteva di 40 pannelli disposti a forma di U (pesavano circa 30 tonnellate e occupavano una superficie di 160 metri quadrati), 3 "function table" portatili, un lettore e un perforatore di carte. Conteneva 70000 resistenze, 10000 capacità, 1500 relè, 6000 commutatori manuali, oltre a 17468 tubi a vuoto, il cui mancato funzionamento (anche di uno solo) bastava a cancellare il calcolo in corso. Era azionata da un motore equivalente a due potenti motori d'auto 4 cilindri, mentre un enorme ventilatore raffreddava il calore disperso dai tubi, consumava 150000 watt. Inoltre, la sua programmazione era una cosa complessa: bisognava azionare a mano migliaia di commutatori e collegare in modo adeguato centinaia di cavi.
Nel 1945, il famoso matematico John von Neumann si era aggiunto al gruppo della Moore School. A quel tempo, stava cercando una soluzione computazionale per le equazioni differenziali parziali in collegamento con il Manhattan Project per lo sviluppo della bomba atomica. L'ENIAC, che era nato per scopi militari, risultò essere insufficiente per quel tipo di lavoro, ma fu proprio lo studio dei suoi limiti che condusse von Neumann e i membri del gruppo della Moore School a sviluppare il progetto di un computer "moderno" con il programma memorizzato, che prenderà il nome di EDVAC.