Fondamenti di Informatica: storia del calcolatore e Legge di Moore

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Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 3 Titolo: Storia del calcolatore Ingegneria Fondamenti di Informatica Storia del calcolatore Prof. Giuseppe Tradigo giuseppe.tradigo@uniecampus.it

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Gli Albori del Calcolo Automatico

Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 3 Titolo: Storia del calcolatore Ingegneria Gli albori Come ha avuto inizio l'idea di poter effettuare calcoli automaticamente?

• matematici e fisici hanno svolto i loro calcoli manualmente
• Newton era famoso per trascorrere nottate a riempire fogli di calcoli

Il Padre del Calcolatore: Charles Babbage

Charles Babbage è il padre del calcolatore

• nel 1822, progetto un Dispositivo Meccanico per il Calcolo Automatico
• La macchina era in grado di fare calcoli su polinomi
• Non riuscì mai a costruirla
• La macchina viene programmata prima meccanicamente e poi avviata tramite un ingranaggio

Macchina Generale di Calcolo: Analytical Engine

Nel 1837, Mr. Babbage progetto un'altra macchina, chiamata Analytical Engine

• Fu la prima macchina che poteva essere programmata per risolvere un problema
• Ada Lovelace scrisse un programma per questa macchina
  • diventò così la prima programmatrice della storia

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Tempi Moderni: ENIAC

Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 3 Titolo: Storia del calcolatore Ingegneria La prima macchina elettronica programmabile fu costruitanel 1946:

• ENIAC, Electronic Numerical Integrator and Calculator, ovvero Calcolatore ed Integratore Numerico Elettronico
• Nel suo nome sono codificati gli usi della macchina
  • integratore (nel senso del calcolo di integrali numerici)
  • esecutore di calcoli matematici
• occupava una intera stanza
• aveva bisogno di operatori che ne supervisionassero il funzionamento.

Fonte: Cabibbo, Fondamenti di Informatica, slide a corredo del testo Ecco alcuni numeri:

• Lunga 30 metri, alta 3 metri, pesante 30 tonnellate
• Funzionava usando 18.000 valvole
• Capace di effettuare calcoli con numeri a 10 cifre
• In un secondo calcolava:
  • 5000 somme
  • 300 moltiplicazioni

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Enrico Fermi e il Calcolo Automatico

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• Circa 100 byte di memoria principale (1 byte = 8 bit)
• Costo: circa mezzo milione di dollari di allora (10 milioni di dollari di oggi)

Enrico Fermi, padre della fisica nucleare:

• diedie un grosso contributo allo sviluppo dell'informatica in Italia
• famoso per essere imbattibile nei calcoli matematici, che eseguiva a mano
• quando utilizzò un calcolatore elettronico, ne intuì subito il potenziale
• nel 1954 scrisse una lettera al Rettore dell'Università di Pisa per convincerlo a costruirne uno
  • il CEP, Calcolatrice Elettronica Pisana, un calcolatore utilizzato per la ricerca

Unità di Misura dei Dati

Prima di passare all'analisi delle generazioni di calcolatori che si sono succeduti dopo la costruzione dell'ENIAC, dobbiamo introdurre alcune unità di misura, che si utilizzano:

• per misurare grandi quantità di dati: ad esempio megabyte (Mb);
• per misurare il numero di operazioni svolte nell'unità di tempo: ad esempio PetaFLOPS (Peta FLOating Points operations per second).

Nome Simbolo Multiplo chilo K 103 mega M 106 giga G 109 tera T 1012 peta P 1015 exa E 1018 zetta Z 1021 yotta Y 1024

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Generazioni di Computer

Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 3 Titolo: Storia del calcolatore Ingegneria A partire dall'ENIAC, è possibile identificare varie generazioni di computer. Ciascuna generazione fa riferimento a una diversa tecnologia di base:

• Aumenta in modo significativo le capacità di calcolo
• Diminuisce in modo significativo i costi

Vediamo di seguito come le varie generazioni di calcolatori si sono susseguite e quali sono, a grandi linee, le loro differenze.

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Prima Generazione di Computer

Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 3 Titolo: Storia del calcolatore Ingegneria Prima generazione

Fonte: Cabibbo, Fondamenti di Informatica, slide a corredo del testo La prima generazione, dal 1946 al 1956, basata su:

• Tecnologia a valvole
• Le valvole venivano usate come interruttori
• Le valvole si bruciavano spesso, quindi andavano sostituite continuamente
• Memoria principale: circa 2K byte
• Istruzioni al secondo: circa 1K (1000 istruzioni al secondo)
• Applicazioni scientifiche e ingegneristiche limitate
• Costo dell'esecuzione di 100K operazioni: molti dollari
• Grandi dimensioni (orientativamente: una stanza)

Seconda Generazione di Computer

.. Fonte: Cabibbo, Fondamenti di Informatica, slide a corredo del testo

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Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 3 Titolo: Storia del calcolatore Ingegneria La seconda generazione, dal 1957 al 1963, basata su:

• Tecnologia a transistor
• occupavano meno spazio, aveva meno consumo di energia e meno calore dissipato
• Memoria principale: circa 32K byte
• Istruzioni al secondo: circa 300K (300.000)
• Applicazioni scientifiche, ingegneristiche, aziendali (ad es. gestione delle buste paga)
• Costo dell'esecuzione di 100K operazioni: qualche dollari
• Dimensioni più ridotte (una parete)

Terza Generazione di Computer

₹ Fonte: Cabibbo, Fondamenti di Informatica, slide a corredo del testo La terza generazione, dal 1964 al 1979, con caratteristiche simili ai computer moderni:

• Tecnologia a circuiti integrati
  • Centinaia di transistor su un singolo circuito
• Memoria principale: circa 2M byte (2 milioni di byte)
• Istruzioni al secondo: circa 5M (5 milioni)
• Applicazioni in campi applicativi scientifici, ingegneristici e aziendali
• Costo dell'esecuzione di 100K operazioni: qualche centesimo di dollaro

Quarta Generazione di Computer

La quarta generazione, dal 1980 ad oggi, ci è più familiare:

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• Tecnologia VLSI (Very Large Scale Integrated circuits)
• microprocessori da centinaia di milioni a miliardi di transistor su un singolo circuito
• Memoria principale: dell'ordine dei Gbyte (o superiore)
• Istruzioni al secondo: dell'ordine dei Giga (109 byte, miliardi di istruzioni al secondo)
• Applicazioni in molti settori: scientifici, ingegneristici, aziendali e personali
• Costo dell'esecuzione di 100K operazioni: qualche milionesimo di dollaro

Tipologie di Computer Odierni

Come sappiamo, i computer odierni hanno numerose tipologie dedicate a tipi di utenti differenti. Se volessimo stilare una sorta di elenco, incompleto ma contenente gli elementi principali, in cui le capacità sono ordinate dalla più elevata a quelle via via inferiori, potremmo farlo come segue:

• Mainframe e supercomputer - applicazioni scientifiche e aziendali mission-critical
• Minicomputer e server - applicazioni aziendali
• Workstation - applicazioni multimediali o per la progettazione (CAD/CAM/CASE)
• Personal computer
• Notebook
• Tablet
• Altri dispositivi mobile (smartphone, smartwatch, ecc)
• Sistemi embedded, loT (Arduino, ESP32, ecc)

IBM Summit: Supercomputer più Potente

Dal 2018, il supercomputer più potente è attualmente l'IBM Summit (OLCF-4).

• grande come due campi da basket

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• potenza di calcolo pari a 200 petaFLOPS (1015 istruzioni in virgola mobile al secondo)
• utilizza 138 miglia (circa 220 chilometri) di cavi

Ci sono problemi che neanche Summit riesce a risolvere in un tempo utile. Che vuol dire?

• Per avere un'idea: 10 milioni di anni è un tempo non utile
• Perché in tutto questo tempo:
  • perderemmo interesse a conoscere il risultato
  • probabilmente nel frattempo ci saremmo estinti.

Un esempio di tale problema è la fattorizzazione di numeri primi molto grandi

• su di esso si basano le moderne tecniche di crittografia e di firma digitale

Previsioni Pessimistiche sui Calcolatori

Previsioni errate fatte in passato sulla diffusione dei calcolatori:

• Nel 1943, il CEO di IBM aveva previsto che il mercato globale dei computer sarebbe stato massimo pari a 5 computer
• Stime recenti valutano invece in circa 2 miliardi i computer in circolazione

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Legge di Moore e Transistor

Corso di Laurea: Ingegneria Informatica Insegnamento: Fondamenti di Informatica Numero lezione: 3 Titolo: Storia del calcolatore Ingegneria Gordon Moore, di Intel, nel 1965 osservò empiricamente che il numero di componenti dei processori raddoppia ogni anno.

#transistors Pentium II 10M Pentium PowerPC 601 80486 1M 80386 68040 80286 68030 100K 68000 8088 10K 4004 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

• Sull'asse x gli anni di uscita
• Sull'asse y il numero di transistor integrati nel processore
• l'asse y è logaritmico
• Dal grafico si vede che l'evoluzione dei processori segue la legge di Moore
• Negli ultimi anni la produzione dei microprocessori non segue più tale legge
• Gli ultimi trend di produzione preferiscono:
  • meno performance esasperate
  • più bassi consumi di energia
• batterie dei dispositivi che durino più a lungo.

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