De la calculadora al supercomputador
Una visión histórica
José Daniel García Sánchez
[email protected]
http://www.arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel
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Todo lo que era necesario
inventar ya se ha inventado.
Lord Kelvin, 1895.
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¿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
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Algunos ejemplos
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Un poco de historia
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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.
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Lord John Napier (1550-1617)
 Desarrollador de los
logaritmos neperianos.
 Inventó diversos dispositivos
para realizar cálculos
sencillos
 Ábaco neperiano.
 Huesos de Napier.
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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”.
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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.
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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).
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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.
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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
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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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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.
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¿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.
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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.
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¿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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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.
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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.
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Konrad Zusse (1910 – 1998)
 1936: Z1 Primer computador programable.
 1941: Z3 Primer computador digital programable
electro-mecánico.
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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.
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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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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.
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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.
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1951: UNIVAC
 Primer computador comercial: 1,000,000 $.
 Se construyeron un total de 48 unidades.
 5200 válvulas de vacío.
 15 toneladas.
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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.
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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.
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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
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Creo que en el mundo hay
mercado para, quizá, cinco
ordenadores
Thomas Watson, 1943
Presidente de IBM
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Los supercomputadores
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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.
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Supercomputación al rescate
 Resuelve los problemas combinando la potencia de
muchas máquinas.
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1974: Illiac IV
 Coste: 30,000,000 $
 Compuador más rápido del
mundo hasta 1981.
 Universidad de Illinois.
 Usado para cálculos
numéricos por la NASA.
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1976: Cray I
 Refrigerado con freón.
 160 MFlops.
 8 MB de memoria.
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Top 500
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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.
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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.
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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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¿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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