Appunti per una storia degli strumenti di calcolo

Evoluzione degli strumenti per calcolare

– Dalle origini al '900
– L'elettricità e l'elettronica
– I calcolatori della I Generazione
– I calcolatori della II Generazione
– I calcolatori della III Generazione
– I calcolatori della IV Generazione
– Il personal computer e gli ultimi 25 anni
– Bibliografia e sitografia di approfondimento

Le origini

• Il computer nasce come strumento per calcolare, per liberare da compiti gravosi e ripetitivi. Ciò è vero non solo per il calcolatore, ma più in generale per tutte le macchine. La storia dei calcolatori si inserisce in quell'affascinante e talvolta inquietante universo delle relazioni tra l'umanità e le macchine che ha costruito.

• All'inizio del 600, anche a causa dei calcoli sempre più complessi e ripetitivi necessari in astronomia, cresce l'esigenza di macchine da calcolo capaci di eseguire le operazioni aritmetiche.

• Nel 1623 Wilhelm Schickard, professore di astronomia e di matematica all'Università di Tübingen, realizza la prima macchina calcolatrice, ispirata ai principi dell'orologeria (aveva ingranaggi e ruote dentate), tecnologia che ha la sua massima espressione proprio nel 1600. Chiamata "orologio da calcolo". L'orologeria è la tecnologia più avanzata dell'epoca (in seguito sarà l'ottica). Questa macchina è andata perduta.

• Con Blaise Pascal, che nel 1643 realizza una macchina per compiere addizioni e sottrazioni, e con Gottfried Leibnitz, che nel 1673 realizza una macchina che compie addizioni, sottrazioni, divisioni, moltiplicazioni e radici quadrate, nascono le prime calcolatrici meccaniche.

• "Non è infatti degno di uomini di ingegno perdere ore come schiavi nel lavoro di calcolo che potrebbe essere affidato tranquillamente a chiunque altro se si usassero le macchine" (Gottfried Leibnitz, seconda metà del '600). Leibnitz inventa il linguaggio binario, quello utilizzato oggi dai computer. Il linguaggio binario a differenza di quello decimale usa solo due numeri (1 e 0), dunque è un sistema che consente una rappresentazione numerica elementare indipendente da ogni forma di civiltà e cultura.
Tre secoli dopo il sistema binario rappresenta il linguaggio più semplice e pratico da trasferire nei circuiti elettronici.

• Fu necessario attendere lo sviluppo dei commerci e la nascita dell'era industriale e della società borghese.

• Nel 1767 Watt costruisce la macchina a vapore, che segna l'inizio dell'era industriale. Vi è l'esigenza di mezzi di comunicazione più veloci, di macchine per incrementare la produzione. Il vapore è la forma di energia per muovere le macchine.

• Il '700 è il periodo di gloria degli automi, modelli che simulano il comportamento umano o animale, copie del mondo. Si tratta di un mito antichissimo (il Golem). Il primo automa, una colomba capace di volare, è attribuito ad Archita di Taranto, ottavo successore di Pitagora. Tra gli autori più famosi Jacques de Vaucanson, che costruisce l'Anatra, le cui viscere funzionavano grazie alla precisione di complicati meccanismi meccanici), il Suonatore di flauto, il Tamburino, automi che raggiunsero una grande celebrità nella Parigi dell'epoca e girarono le corti europee. I suoi studi teorici sulla pressione dell'aria per l'intonazione delle note del flautista conservano ancora oggi grande valore. Altri autori famosi furono Pierre e Hernry Louis Jacquet, che con Droz costruisce il Disegnatore.

• Nell'800 si continuano a produrre automi e animali meccanici, ma nessuno raggiunge la perfezione di quelli realizzati dai maestri del '700. Tra gli esempi più famosi il Giocatore di scacchi di Maelzel e quello di von Kempelen.

• Il primo sistema per tradurre il linguaggio umano in un linguaggio comprensibile dalla macchina è il telaio automatico di Joseph Marie Jacquard (1804), per automatizzare il processo di orditura dei tessuti basandosi sull'uso di schede perforate. La macchina incontra una forte opposizione in Francia: i tessitori lionesi si ribellano perché la macchina poteva gettare nella miseria i 4/5 della popolazione e il Consiglio dei probiviri ne ordina la distruzione. Tuttavia ha un enorme successo e conosce una rapidissima diffusione, producendo una rivoluzione nell'industria tessile (nel 1812 se ne contano più di 1.000), e diffondendosi in Europa, America e Cina.

• Nel 1822 Charles Babbage, matematico inglese, progetta la macchina "differenziale" capace di calcolare e di stampare tabelle numeriche a sei cifre automaticamente e che ha bisogno dell'operatore solo per l'inserimento dei dati. Perfeziona il progetto con la macchina "analitica" (1833), il cui schema logico-funzionale verrà usato un secolo dopo dai calcolatori elettronici. Secondo il progetto i dati dovevano essere introdotti a mano o con schede perforate. La macchina resta solo a livello di progetto, senza applicazioni pratiche, nonostante rappresenti un notevole salto di qualità: Babbage infatti aveva inventato il controllo automatico, cioè la possibilità di comandare operazioni matematiche che seguono automaticamente un programma stabilito a priori.
Per far funzionare una macchina simile all'epoca esisteva solo il vapore come forza motrice. In trent'anni di studio Babbage non riuscì a realizzare nulla di concreto e venne dimenticato, l'industria delle macchine ignorò il suo lavoro. Solo uno svedese, Georg Scheutz, editore-stampatore, realizzò una macchina delle differenze, una stampatrice perfezionata che tuttavia non era guidata da un programma.

• Nell'800, in tutta Europa, la Rivoluzione Industriale incentiva lo studio di nuove procedure per facilitare il calcolo. Tutti i settori industriali, per affrontare la concorrenza, devono introdurre nuovi mezzi automatizzati per la produzione di serie. Bisogna inoltre disporre di macchine per gestire la mole di dati contabili e gestionali che, con l'aumento del volume di affari, sommergono le scrivanie del personale amministrativo. Le ricerche di fine '800, dunque, non vanno solo nella direzione di realizzare macchine di calcolo per applicazioni scientifiche e militari, anche se i primi calcolatori saranno usati in questi campi.
Vi è inoltre la diffusione dei metodi statistici per studiare i fenomeni collettivi e la statistica si trasforma da teoria a scienza ufficiale. Tutti gli Stati occidentali hanno l'esigenza di disporre di informazioni e dati sulle condizioni della popolazione, sul suo movimento e stato sociale per orientare lo sviluppo economico. Tuttavia, se c'erano i metodi di analisi dei fenomeni non esistevano i mezzi adeguati per la rapida consultazione dei dati raccolti. I risultati del X Censimento degli Stati Uniti, ad esempio, sono disponibili solo a distanza di sette anni, con grave ritardo per la politica economica.

• Alla fine dell'800 William S. Burroughs realizza una macchina calcolatrice a moltiplicazione diretta che viene prodotta su larga scala e impiegata negli uffici contabili delle più grosse aziende del mondo.

[Torna all'inizio]

L'elettricità e l'elettronica

• Hermann Hollerith, ingegnere e membro dello staff del X e XI Censimento degli Stati Uniti ha l'idea di utilizzare il sistema a schede perforate di Jacquard e di Babbage. Il censimento ha grande successo e la macchina di Hollerith viene impiegata nei censimenti austriaci, norvegese, canadese e russo. Fanno l'ingresso nel mondo del calcolo automatico l'elettricità e il relais elettromagnetico, che è il primo sistema elettrico capace di assumere due stati diversi (passaggio/non passaggio di corrente) mediante un comando esterno. Hollerith fonda una società (la Tabulation Machine Co.) che nel 1911 diventa la Computer Tabulation Recording Co. e nel 1924 l'International Business Machine Co. (IBM).

• Nei primi due decenni del '900 le macchine meccanografiche si perfezionano e si diffondono, specialmente nelle aziende ad alto volume di affari e con strutture organizzative complesse, dove servono documentazioni aggiornate e devono essere gestite grandi quantità di informazioni: le compagnie telefoniche (per registrare e addebitare le conversazioni), le ferrovie (per seguire il trasporto merci), le assicurazioni (per studiare le statistiche e le casistiche degli incidenti). Queste macchine si diffondono insieme alle macchine per ufficio, al telefono, alle telescriventi (che diminuiscono drasticamente i tempi delle comunicazioni commerciali). Nello stesso periodo continuano gli studi e le ricerche per costruire dispositivi capaci di effettuare i calcoli ad altissima velocità necessari a risolvere svariati problemi scientifici.

• Nel 1930 viene progettato, in Europa dal tedesco Zuse, il primo calcolatore elettronico, che sarà costruito solo negli anni della II Guerra Mondiale. La II G.M. sollecita l'impiego di molte risorse nella creazione di strumenti tecnologicamente avanzati a fini bellici, che devono essere controllati da macchine capaci di eseguire calcoli in pochissimo tempo. La ricerca è quindi ora in mano al settore bellico.
Conrad Zuse concepisce l'idea di una macchina in grado di "accrescere la capacità cerebrale dell'uomo per risolvere dei problemi che fino ad allora avevano assorbito gran parte del lavoro intellettuale", cioè i calcoli complessi e ripetitivi. Nel 1936, nel salotto della casa dei suoi genitori, costruisce lo Z 1, la prima macchina che utilizza un sistema binario per codificare le informazioni e il controllo programmato mediante nastro perforato. Lo Z 1 utilizza migliaia di relais, è lento ma ha quell'innovazione concettuale della logica algebrica di Boole, fondata su un sistema numerico di base 2 e non 10, che è alla base dei calcolatori elettronici. Più tardi sostituisce i relais con le valvole termoioniche.
Zuse costruisce quattro modelli. Per non far distruggere dai bombardamenti l'ultimo dei quattro (lo Z 4), dopo varie peripezie e vicissitudini lo porta in Svizzera. Ha 2000 relais, una memoria meccanica capace di ricordare 64 cifre, pesa 2500 chilogrammi e occupa 20 metri quadrati. Può risolvere equazioni a 10 incognite alla velocità di 40/50 operazioni al minuto. Il suo programma è perforato su bande di carta.

• Nel 1944 negli USA, realizzato dall'IBM, entra in funzioneBessie, conosciuto come Mark 1, capace di risolvere equazioni differenziali. Le difficoltà tecniche e il costo sono vinti solo per l'interessamento della Marina americana che lo vuole utilizzare per calcoli balistici. La macchina lavora per 5 anni per quasi tutti i centri di calcolo del Paese. Il Mark 1 usava 3304 relais e un'operazione durava in media oltre un secondo, con punte di sei secondi per le moltiplicazioni.
Si concretizzano finalmente le ricerche iniziate da Babbage: oltre all'introduzione delle prime istruzioni il Mark 1 non ha più bisogno dell'intervento umano, elaborando i dati ed emettendo i risultati automaticamente a partire da quelli inseriti all'inizio. Viene smontato nel luglio 1959.
Alla fine degli anni '40 vengono costruiti il Mark II, il Mark III e il Mark IV, ma ormai questi sistemi, elettromeccanici, basati su migliaia di relais, sono lenti e superati. Verranno sostituiti da quelli elettronici, a valvole, più veloci e compatti, aprendo così l'era dell'informatica.

[Torna all'inizio]

Calcolatori della I Generazione

• In pieno Conflitto Mondiale, nel 1943, l'Esercito degli Stati Uniti ha bisogno di macchine per migliorare le prestazioni dei mezzi bellici e risolvere le questioni balistiche. Alla Moore School dell'Università di Pennsylvania viene fatta la commissione. In circa 2 anni uno staff di oltre 200 persone, con un investimento di 750 mila dollari, viene costruito l'Eniac, le cui caratteristiche sono rese pubbliche nel '46: 18.000 valvole, 1500 relais, 30 tonnellate, 180 metri quadrati, consumo 140.000 Watt. E' il primo calcolatore totalmente digitale, in grado di effettuale oltre 300 moltiplicazioni al secondo (anziché una sola come quelli elettromeccanici più perfezionati), e funziona a schede perforate. E' operativo dal 1946 al 1955 e viene usato anche a scopi scientifici (studio dei raggi cosmici, energia atomica). Un secondo calcolatore elettronico è realizzato dall'IBM nel 1948. L'Eniac ha prestazioni paragonabili a quelle di un'attuale calcolatrice tascabile data in omaggio con i fustini di detersivo.

• Nel 1946 lo scienziato di origine ungherese John von Neumann aggiunge un tassello importante: il programma memorizzato, cioè la possibilità di registrare in memoria non solo i dati su cui lavorare ma anche le istruzioni operative per il funzionamento della macchina, cioè i programmi. Il calcolatore diventa più versatile e operativamente flessibile. Tale calcolatore, noto col nome di "Macchina di von Neumann", entra in funzione all'Università di Princeton nel 1952. Questa idea influenza tutti i calcolatori successivi.
La flessibilità operativa consente ormai ai calcolatori di risolvere i più svariati problemi di carattere amministrativo, produttivo ed economico, rendendoli macchine capaci non solo di gestire operazioni aritmetiche ad alta velocità ma anche in grado di elaborare qualsiasi informazione.

• Nel 1950 viene realizzato l'Univac I, primo calcolatore destinato ad applicazioni commerciali. È l'inizio della rivoluzione informatica.

[Torna all'inizio]

I calcolatori della II Generazione

• Nel 1947 viene inventato il transistor. Nel 1952 le dimensioni del transistor sono già 1/10 rispetto a quelle originali, nel 1957 se ne costruiscono 30 milioni di esemplari all'anno. Prima costruito in germanio e poi in silicio, più stabile alle alte temperature, il transistor significa la diminuzione delle dimensioni fisiche dei componenti, l'aumento della velocità di elaborazione, la diminuzione del consumo di energia e una migliore dispersione di calore. I computer della II Generazione sono dieci volte più veloci di quelli della prima, più affidabili, consumano di gran lunga meno energia e durano molto più a lungo (la vita media di un tubo elettronico è di 10.000 ore, quella di un transistor di 1.000.000 di ore).
Con l'invenzione del transistor il computer diventa molto più veloce ed economico e inizia la sua diffusione a livello mondiale. Gli elaboratori non sono più solo strumenti di calcolo per uso puramente contabile, ma macchine in grado di rispondere alle esigenze di enti e aziende, in molti settori di attività, per la capacità di elaborare informazioni.

• Nel 1958 l'IBM costruisce il primo calcolatore a transistor, il 7070.

• I sistemi si arricchiscono di periferiche e il nastro magnetico viene applicato a tutte le macchine. Compaiono i primi linguaggi ad alto livello, come il Cobol e il Fortran. La diminuzione dei costi rende il computer adatto non più solo alla committenza pubblica o alle grandi aziende, ma anche alle medie aziende.

[Torna all'inizio]

I calcolatori della III Generazione

• Nella seconda metà degli anni '60 nascono i calcolatori basati sui circuiti integrati. Il circuito integrato viene inventato nel 1958 da Jack Kilby, della Texas Instruments. In un'unità monolitica, il chip, sono combinate tutte le funzioni di bobine, transistor, diodi, condensatori, resistenze, circuiti elettronici complessi che fino ad allora potevano essere ottenuti solo con processi industriali diversi.
I vantaggi sono un ulteriore incremento della velocità e della capacità di calcolo (~10 miliardesimi di secondo, 2.000.000 di operazioni al secondo), maggiore dissipazione di energia, riduzione delle dimensioni e dei costi.
In vent'anni questi componenti subiscono grandi modifiche, passando da chip contenenti alcune decine di transistor a chip con milioni di transistor. La tendenza alla microminiaturizzazione procede in modo inarrestabile, crescono la densità dei componenti per unità di area, l'aumento di prestazioni, si abbattono i costi per un'utenza più vasta.

• Nel 1964 l'IBM introduce i primi calcolatori che utilizzano i circuiti integrati. Lo stesso anno la Fairchild, una delle più grandi ditte costruttrici di circuiti integrati, riduce il prezzo dei componenti e li immette sul mercato business (prima erano riservati alla Difesa Americana). Il consumo di queste macchine passa da 1 miliardo di dollari nel 1970 a 3 miliardi di dollari nel 1976.

• I sistemi della III Generazione consentono la multiprogrammazione (cioè la possibilità di realizzare contemporaneamente diversi segmenti di un programma), e operazioni in time sharing, cioè permettono a più utenti con terminali diversi di accedere contemporaneamente allo stesso elaboratore centrale e di lavorare in tempo reale anche da stazioni remote.
I calcolatori impiegano sistemi operativi per automatizzare la gestione interna del sistema e incominciano ad usare metodologie per la diagnostica automatica dei guasti. Consentono inoltre la modularità, cioè l'intercambiabilità sia di hardware che di software per la stessa famiglia di macchine. Si afferma quindi una nuova classe di calcolatori, relativamente poco costosi, destinata alla piccola utenza industriale e commerciale, di semplice uso rispetto ai modelli medi e grandi.

• Nascono i primi minisistemi alla metà degli anni '60. La Honeywell incomincia la produzione nel '64, la Digital e l'Olivetti nel '65. L'informatica esce dai centri di calcolo delle grandi aziende pubbliche e dell'industria aerospaziale per entrare nel mondo dell'industria. Il calcolatore, che in 10 anni ha diminuito il suo prezzo di 100 volte e ha raddoppiato 11 volte le sue prestazioni, diventa uno strumento per gestire i dati delle imprese e per controllare i processi industriali.

[Torna all'inizio]

I calcolatori della IV Generazione

• L'esasperazione della miniaturizzazione dei circuiti (indispensabile per elevare la velocità delle operazioni di un computer), l'elevata flessibilità dei sistemi, l'interazione fra elaborazione dei dati, trattamento della parola e telecomunicazioni permettono la realizzazione di computer sempre più piccoli, a basso prezzo, in grado di eseguire operazioni autonome, per accedere a migliaia di informazioni e servizi.

• Nel 1971 Intel Co., azienda della Sylicon Valley, lancia sul mercato l'Intel 4004, il primo microprocessore, cioè l'unità di elaborazione centrale del calcolatore concentrata su una singola scheggia di silicio. Dietro questo microprocessore c'è anche il lavoro di un italiano, Federico Faggin.

• Col microprocessore si ampliano le possibilità applicative del computer, perché è possibile trasferire la capacità elaborativa in apparecchiature elettroniche (periferiche) e in prodotti tradizionali, che diventano programmabili, automatici, "intelligenti" (elettrodomestici, televisori, videoregistratori, radiosveglie, aspirapolvere, lavapiatti, lavatrici, macchine da scrivere, macchine fotografiche, fotocopiatrici, macchine utensili, hi-fi, giocattoli, telefoni, autovetture...). I microprocessori, che contengono da decine di migliaia a milioni di transistor in pochi millimetri quadrati, costano poco, sono molto piccoli, sopportano un ampio ventaglio di condizioni ambientali, consumano pochissimo e sono così economici che praticamente non modificano il costo dell'apparecchiatura alla quale sono applicati.
Il microprocessore crea l'informatica distribuita, decentralizzandola. Nasce il "personal computer", il computer costruito secondo le esigenze dell'utenza. La microelettronica entra in tutti i settori, dall'ufficio alla casa, dalle telecomunicazioni all'ambiente domestico (l'home computing).

[Torna all'inizio]

Il personal computer e gli ultimi 25 anni

• 1975. Il primo PC, un Altair 8800 disponibile in kit di montaggio, appare sulla copertina della rivista Popular Electronics. IBM introduce la stampante laser. Bill Gates e Paul Allen scrivono il primo software per personal computer (DOS - Disk Operative System).

• 1976. Il Cray-1 di Cray Research è il primo supercomputer ad architettura vettoriale. Steve Jobs e Steve Wozniak fondano Apple. Producono l'Apple I, il primo personal computer (PC). IBM sviluppa la prima stampante a getto d'inchiostro.

• 1977. Viene introdotto l'Apple II. Escono i PC di Commodore e di Tandy. Bill Gates e Paul Allen fondano Microsoft.

• 1978. DEC introduce il VAX 11/780, un computer a 32-bit che diventa popolare per applicazioni tecniche e scientifiche. Intel rilascia il chip 8086 a 16 bit.

• 1979. Motorola introduce il chip 68000. Telefoni cellulari sono testati in Giappone e a Chicago.

• 1980. IBM sceglie il DOS di Microsoft come sistema operativo per i suoi personal computer.

• 1981. Esce il primo personal computer dell'IBM.

• 1982. Il Cray X-MP (due computer Cray-1 in parallelo) è tre volte piuù veloce del Cray-1. Columbia Data Products produce il primo “clone” IBM PC, a cui seguirà Compaq. Nasce "Internet" (allora chiamata ARPAnet). Time nomina il personal computer come "man of the year".

• 1983. Apple lancia sul mercato LISA, che mostra il primo sistema operativo pensato come ambiente a icone e menu a discesa, dotato di mouse.

• 1984. Esce l'Apple Plus, dotato di mouse e sistema operativo a icone e finestre. Motorola introduce il chip 68020, a 16 bit, con 250 mila transistor. Intel introduce il chip 80286, a 16 bit. Vengono introdotti i CD-ROM da Sony e Philips. William Gibson, nel romanzo Neuromancer, conia il termine "cyberspace".

• 1985. Con il rilascio del Cray 2 e del Connection Machine Supercomputer di Thinking Machines Co. la velocità dei supercomputer raggiunge 1 miliardo di operazioni al secondo. Intel rilascia il chip 80386, a 32 bit. Nasce FidoNet. PageMaker è il primo programma di desktop publishing per PC, usato dapprima su Macintosh e in seguito su IBM compatibili: nasce il desktop publishing. Nasce Windows 1.0.

• 1989. Nasce il formato grafico GIF.

• 1990. Scienziati dei Bell Labs dimostrano il primo processore totalmente ottico. Microsoft introduce Windows 3.0. Escono il 80486 e iPSC/860 di Intel e il 68040 di Motorola.

• 1991. Cray Research rilascia il Cray Y-MP C90 con 16 processori e una capacità di 16 Gflops. Introdotto il formato grafico JPEG. Apple introduce QuickTime, software per fruire audiovisivi su PC. Introdotto Windows NT.

• 1992. Nasce il "WWW" (World Wide Web). Esce Linux, sistema operativo Open Source. DEC introduce l'Alpha, il primo chip RISC a 64 bit.

• 1993. Nasce l'HTML (HyperText Markup Language). Nello stesso anno esce Mosaic, primo browser web. Intel rilascia il Pentium. Apple rilascia il Newton, il primo PDA (Personal Digital Assistant).

• 1994. Negli Stati Uniti il numero dei computer venduti supera quello dei televisori. Esce Netscape. Escono i processori risc PowerPC di Motorola, IBM e Apple. Nasce Yahoo, motore di ricerca. Escono i modem a 28.8 kbps.

A partire dal 1994 la velocità di clock dei processori dei PC cresce in maniera esponenziale:

così come il numero di transistor inseriti nel processore:

e di pari passo diminuisce il costo del calcolo:

• 1995. Esce Windows 95. Nasce il formato MP3. Nasce Java. Nasce RealAudio. Nasce AltaVista, motore di ricerca. Toy Story è il primo film completamente realizzato al computer.

• 1996. Introdotto da Intel il Pentium Pro. Microsoft introduce Internet Explorer.Escono i modem a 33.6 Kbit/s e, più tardi, a 56 Kbit/s. Nasce la WebTV. Nasce il formato DVD.

• 1997. Introdotto il formato WAP (Wireless Application Protocol).

• 1998. Nasce Google, motore di ricerca. Apple introduce sul mercato l'iMac.

• 1999. Nasce Napster, per la diffusione di file musicali in formato MP3.

• 2000. Per fatturato l'industria hardware viene sorpassata dall'industria software.

• 2001. Un gruppo di ricercatori dei laboratori Bell crea i primi transistor costituiti da una singola molecola organica. I transistor molecolari potrebbero un giorno essere usati nei microprocessori e nelle memorie, riuscendo a far stare un numero di elementi migliaia di volte superiore a quello possibile oggi. Esce MacOS X, sistema operativo di Apple. Esce Windows XP, sistema operativo di Microsoft.

[Torna all'inizio]

Bibliografia

M. Bozzo, La grande storia del computer, Bari, Dedalo, 1996
F. Dani, La storia del computer, Pomezia, SARIN, 1990

Sitografia

Computer Industry History
Storia dell'informatica
WearComp.org (Wearable computers)
The Computer History Graphing Project
Mind Machine Museum
History of Computing Information
Nostalgia Museum - Museo virtuale delle tecnologie
IEEE Computer Society
FOLDOC (Computing Dictionary)
Business Computer Birthplace
ArsTechnica (The PC enthusiast's resource)
Electronic Visualization Laboratory, University of Chicago
Noema, tecnologie e società

[Torna all'inizio]