1 UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores De la calculadora al supercomputador Una visión histórica José Daniel García Sánchez [email protected] http://www.arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel

2 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Todo lo que era necesario inventar ya se ha inventado. Lord Kelvin, 1895.

3 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 ¿Qué es un computador?  Es una máquina capaz de procesar información existente para producir nueva información. Ejemplo: Determinar la edad a partir del año de nacimiento.  Visión clásica

4 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Algunos ejemplos

5 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Un poco de historia

6 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Antecedentes  276 AC: Eratóstenes propone un método para encontrar todos los números primos.  820 DC: Muhammad ibn Musa al-Khwarizmi escribe el libro Al-jabr wa'l muqabala (ágebra) Introduce el sistema posicional decimal. Elaboró una metodología para realizar cálculos. La palabra algoritmo procede de su nombre.

7 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Lord John Napier (1550-1617)  Desarrollador de los logaritmos neperianos.  Inventó diversos dispositivos para realizar cálculos sencillos Ábaco neperiano. Huesos de Napier.

8 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Blaise Pascal (1623 -1662)  Matemático, físico, filósofo y teólogo.  A los 19 años fabrica la máquina “Pascalina”.  Basado en ruedas dentadas.  Sólo Pascal y un ayudante eran capaz de arreglarlas.  Se construyeron 50 modelos.  No tuvo éxito “comercial”.

9 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Charles Babbage (1791 - 1871)  Creador de la máquina analítica y la máquina diferencial.  En la adolescencia estudió algebra por su cuenta. Cuando ingresó en 1811 en el Trinity College sabía más matemáticas que sus profesores.  Entre 1828 y 1839 ocupó la cátedra Lucasian de Cambridge. La misma que Isaac Newton y Stephen Hawkings.

10 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 El problema  En la época de Babbage las tablas matemáticas se generaban mediante cálculos realizados por personas que luego se imprimían.  Los errores en las tablas tenían un alto impacto económico (p. ej. naufragio de buques).

11 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Los errores en las tablas  Babbge realizó un estudio de los errores que publicó en el artículo “Observaciones de la aplicación de las máquinas al cálculo de tablas matemáticas”. Recibió la medalla oro de la Real Sociedad Astronómica.  Identificó tres razones: Errores cometidos por las personas al realizar los cálculos. Errores en la copia de los datos al enviarlos al impresor. Errores en la composición tipográfica.

12 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 La solución  Diseñar una máquina que realizase los cálculos e imprimiese los resultados sin intervención humana. “Desearía que estos cálculos se hubiesen realizado con una máquina de vapor.” Charles Babbage, 1821

13 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 La máquina diferencial  Objetivo: Tablas matemáticas automáticas.  Primer prototipo en 1821. Comienza a construirse en 1823. En 1842 el gobierno británico cancela el proyecto. Se gastó más de 23000 libras.  Problemas de la máquina: Continuo rediseño. Desavenencias con el jefe de proyecto. Falta de precisión en las piezas mecánicas. “Para lo único que podía servir aquel aparato era para calcular las enormes sumas de dinero público que se habían derrochado ya con él” Benjamin Disraeli (primer ministro del Reino Unido)

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15 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Máquina analítica  En 1834 Babbage concibió una máquina nueva basada en cuatro elementos: Unidad de entrada. Unidad algorítmica. Controlador central. Unidad de salida.  El concepto era totalmente distinto: Era una máquina de propósito general capaz de realizar cualquier operación matemática. Capaz de usar sus propios resultados como nuevas entradas. Planteaba el uso de tarjetas perforadas.

16 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 ¿Qué ocurrió?  Nunca terminó de construirse. Solo un prototipo.  Estuvo sujeta a continuos rediseños.  Si se hubiese construido hubiese hecho falta una máquina de vapor para mover las piezas.

17 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Segunda máquina diferencial  Babbage comprendió que tenía que diseñar algo más sencillo aunque fuese menos potente.  Diseño entre 1847 y 1849.  Nunca intentó construirla. Personalidad de Babbage. Disputas con el ingeniero jefe. Falta de fondos. Falta de precisión.

18 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 ¿Es ese el final de la historia?  En 1985 el British Museum, decidió construir la máquina diferencial número dos, usando piezas con la precisión de aquella época.  Datos: 4000 piezas móviles. 2.6 toneladas.  Se terminó en 1991 (segundo centenario de Babbage).

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20 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Lady Ada Byron (1815 – 1852)  Primera persona en escribir un programa.  Fue capaz de preparar programas para la máquina analítica a partir de su diseño.  Describió conceptos fundamentales para la programación: Repetición (bucles). Subprogramas.  Fue una inestimable ayuda para Babbage, llegando a vender sus joyas para ayudarle.

21 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Vannevar Bush (1890 – 1974)  Investigador del MIT.  1927: Máquina para resolver ecuaciones.  1931: Analizador diferencial Primera máquina que resuelve ecuaciones diferenciales.  1935: Primer computador electromecánico digital. Secreteo hasta el final de la II Guerra Mundial. Trayectorias balísticas.

22 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Konrad Zusse (1910 – 1998)  1936: Z1 Primer computador programable.  1941: Z3 Primer computador digital programable electro-mecánico.

23 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 1943: Colossus I  Primer computador electrónico digital.  1600 válvulas de vacío.  300 mensajes descifrados al mes.  Usado para la decodificación de mensajes en clave alemanes durante la II Guerra Mundial. Ultrasecreto hasta 1970-1996. Se estima que acortó la guerra en 2 años.

24 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 1946: ENIAC  Computador electrónico digital. Tablas de cálculo para artillería. Simulaciones numéricas para bomba de hidrógeno.  Datos: 1800 válvulas de vacío. 100 metros cúbicos. 30,000 Kg. 1900 sumas por segundo. 350 multiplicaciones por segundo.

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26 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 John von Neumann (1903 – 1957)  Matemático húgaro.  Ideó el modelo que lleva su nombre.  1933: Junto con A. Einstein fue uno de los seis matemáticos del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton.  Influyó en ENIAC.  1944: Mark I  Probablemente falleció debido a su exposición a radiaciones durante el diseño de la bomba atómica.

27 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 El modelo von Neumann  Base para la estructura de los computadores modernos. Instrucciones operan sobre datos escalares. Concepto de programa almacenado. Ejecución secuencial de instrucciones. Concepto de ciclo de ejecución de instrucciones.

28 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 1951: UNIVAC  Primer computador comercial: 1,000,000 $. Se construyeron un total de 48 unidades. 5200 válvulas de vacío. 15 toneladas.

29 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 1947: El transistor  Desarrollado en los laboratorios AT&T Bell. Basado en materiales semiconductores (p.ej. silicio). En su estado normal no conduce electricidad. Si se le aplica un voltaje, si conduce electricidad. Puede usarse como un interruptor. Consecuencia: Computadores mucho más rápidos.

30 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 1971: El microprocesador  Intel presenta el primer microprocesador: Intel 4004.  Idea: Integra los distintos elementos del procesador en un úncio circuito integrado. Unidad aritmética. Unidad de control. Banco de registros.  Consecuencias: Más rápido. Más barato.

31 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 1981: El ordenador personal  Frecuencia de reloj: 4.77 MHz  Datos de 8 bits.  RAM: 64 KB  Discos flexibles de 5.25 pulgadas  160 KB 640 KB debería ser más que suficientes para cualquiera. Bill Gates 1981

32 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Creo que en el mundo hay mercado para, quizá, cinco ordenadores Thomas Watson, 1943 Presidente de IBM

33 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Los supercomputadores

34 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Grandes problemas  Hay problemas muy grandes para ser resueltos por un computador normal. Problemas extremadamente grandes. Simular y predecir el clima global con nivel de detalle inferior a 1 Km. Determinar el efecto de un terremoto sobre cada edificio de la ciudad. Problemas que hay que resolver muy rápido. Predecir qué tiempo va a hacer mañana.

35 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Supercomputación al rescate  Resuelve los problemas combinando la potencia de muchas máquinas.

36 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 1974: Illiac IV  Coste: 30,000,000 $  Compuador más rápido del mundo hasta 1981.  Universidad de Illinois.  Usado para cálculos numéricos por la NASA.

37 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 1976: Cray I  Refrigerado con freón.  160 MFlops.  8 MB de memoria.

38 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Top 500

39 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 El reto  Construir un supercomputador de más de 1 PetaFLOP. 1 billón de operaciones matemáticas por segundo. Se estima que se alcanzará hacia 2009.  Diez compañías intentándolo en: USA. Japón. China.

40 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Mare Nostrum  En Marzo de 2004, el gobierno español y la empresa IBM, firmaron un acuerdo para construir el ordenador más rápido de Europa y uno de los más rápidos del mundo.  MareNostrum está formado por 42 bastidores y ocupa 120 m2.

41 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 Mare Nostrum  42.35 Teraflops de rendimiento teórico.  4.812 procesadores PowerPC 970FX en 2406 Nodos duales.  9.6 TB de memoria.  236 TB de almacenamiento en disco.  3 redes de interconexión

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43 Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Escuela de verano 2006 ¿Para qué se usa?  Diseño de computadores. Simular como será un nuevo computador antes de construirlo.  Ciencias de la vida. Análisis genómico. Predicción de plegado de proteinas. Diseño de fármacos.  Ciencias de la tierra. Calidad del aire. Predicción de nubes de polvo del sahara. Cambio climático.

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