El motor analítico fue una computadora mecánica de propósito general propuesta diseñada por el matemático inglés y pionero de la computación Charles Babbage . [2] [3] Fue descrito por primera vez en 1837 como el sucesor del motor diferencial de Babbage , que era un diseño para una computadora mecánica más simple. [4]
El motor analítico incorporó una unidad lógica aritmética , control de flujo en forma de bifurcaciones condicionales y bucles , y memoria integrada , lo que lo convirtió en el primer diseño de una computadora de uso general que podría describirse en términos modernos como Turing-completo . [5] [6] En otras palabras, la estructura lógica del motor analítico era esencialmente la misma que ha dominado el diseño de computadoras en la era electrónica. [3] El motor analítico es uno de los logros más exitosos de Charles Babbage.
Babbage nunca pudo completar la construcción de ninguna de sus máquinas debido a conflictos con su ingeniero jefe y una financiación inadecuada. [7] [8] No fue hasta 1941 que Konrad Zuse construyó la primera computadora de uso general, Z3 , más de un siglo después de que Babbage propusiera el motor analítico pionero en 1837. [3]
Diseño
El primer intento de Babbage con un dispositivo de computación mecánica, el motor de diferencia , fue una máquina de propósito especial diseñada para tabular logaritmos y funciones trigonométricas mediante la evaluación de diferencias finitas para crear polinomios aproximados . La construcción de esta máquina nunca se completó; Babbage tuvo conflictos con su ingeniero jefe, Joseph Clement , y finalmente el gobierno británico retiró la financiación del proyecto. [9] [10] [11]
Durante este proyecto, Babbage se dio cuenta de que era posible un diseño mucho más general, el motor analítico. [9] El trabajo sobre el diseño del motor analítico se inició en c. 1833. [12] [4]
La entrada, que consta de programas ("fórmulas") y datos [13] [9], debía proporcionarse a la máquina mediante tarjetas perforadas , un método que se utilizaba en ese momento para dirigir telares mecánicos como el telar Jacquard . [14] Para la salida, la máquina tendría una impresora, un trazador de curvas y una campana. [9] La máquina también podría marcar números en tarjetas para leerlos más tarde. Empleaba aritmética ordinaria de punto fijo en base 10 . [9]
Debía haber una tienda (es decir, una memoria) capaz de almacenar 1.000 números de 40 dígitos decimales [15] cada uno (aproximadamente 16,6 kB ). Una unidad aritmética (el "molino") podría realizar las cuatro operaciones aritméticas , además de comparaciones y, opcionalmente, raíces cuadradas . [16] Inicialmente (1838) se concibió como un motor diferencial curvado sobre sí mismo, en un diseño generalmente circular, con la larga tienda saliendo a un lado. [17] Dibujos posteriores (1858) representan un diseño de cuadrícula regularizado. [18] Al igual que la unidad central de procesamiento (CPU) en una computadora moderna, el molino se basaría en sus propios procedimientos internos , para ser almacenados en forma de clavijas insertadas en tambores giratorios llamados "barriles", para llevar a cabo algunos de los más instrucciones complejas que el programa del usuario puede especificar. [7]
El lenguaje de programación utilizado por los usuarios era similar a los lenguajes ensambladores de hoy en día . Los bucles y la ramificación condicional eran posibles, por lo que el lenguaje tal como se concibió habría sido Turing-completo como lo definió más tarde Alan Turing . Se utilizaron tres tipos diferentes de tarjetas perforadas: una para operaciones aritméticas, una para constantes numéricas y otra para operaciones de carga y almacenamiento, transfiriendo números de la tienda a la unidad aritmética o viceversa. Había tres lectores separados para los tres tipos de tarjetas. Babbage desarrolló unas dos docenas de programas para el motor analítico entre 1837 y 1840, y un programa más tarde. [14] [19] Estos programas tratan polinomios, fórmulas iterativas, eliminación de Gauss y números de Bernoulli . [14] [20]
En 1842, el matemático italiano Luigi Federico Menabrea publicó una descripción de la máquina en francés, [21] basada en las conferencias que dio Babbage cuando visitó Turín en 1840. [22] En 1843, la descripción fue traducida al inglés y ampliamente comentada por Ada. Lovelace , que se había interesado por el motor ocho años antes. [13] En reconocimiento a sus adiciones al artículo de Menabrea, que incluía una forma de calcular los números de Bernoulli usando la máquina (ampliamente considerada como el primer programa informático completo), ha sido descrita como la primera programadora informática .
Construcción
Al final de su vida, Babbage buscó formas de construir una versión simplificada de la máquina y ensambló una pequeña parte de ella antes de su muerte en 1871. [1] [7] [24]
En 1878, un comité de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia describió el motor analítico como "una maravilla del ingenio mecánico", pero recomendó no construirlo. El comité reconoció la utilidad y el valor de la máquina, pero no pudo estimar el costo de construirla y no estaba seguro de si la máquina funcionaría correctamente después de ser construida. [25] [26]
De forma intermitente desde 1880 hasta 1910, [27] el hijo de Babbage, Henry Prevost Babbage, estaba construyendo una parte del molino y el aparato de impresión. En 1910 pudo calcular una lista (defectuosa) de múltiplos de pi . [28] Esto constituía solo una pequeña parte de todo el motor; no era programable y no tenía almacenamiento. (Las imágenes populares de esta sección a veces se han etiquetado incorrectamente, lo que implica que se trataba de todo el molino o incluso del motor completo). El "Molino de motor analítico" de Henry Babbage se exhibe en el Museo de Ciencias de Londres. [23] Henry también propuso construir una versión de demostración del motor completo, con una menor capacidad de almacenamiento: "quizás para una primera máquina diez (columnas) bastarían, con quince ruedas en cada una". [29] Tal versión podría manipular 20 números de 25 dígitos cada uno, y lo que se le podría decir que hiciera con esos números aún podría ser impresionante. "Es sólo una cuestión de cartas y tiempo", escribió Henry Babbage en 1888, "... y no hay razón por la que (veinte mil) cartas no deban usarse, si es necesario, en una Máquina Analítica para los propósitos del matemático. ". [29]
En 1991, el Museo de Ciencias de Londres construyó una muestra completa y funcional del Motor Diferencial No. 2 de Babbage , un diseño que incorporó los refinamientos que Babbage descubrió durante el desarrollo del Motor Analítico. [5] Esta máquina se construyó utilizando materiales y tolerancias de ingeniería que habrían estado disponibles para Babbage, sofocando la sugerencia de que los diseños de Babbage no podrían haberse producido utilizando la tecnología de fabricación de su época. [30]
En octubre de 2010, John Graham-Cumming inició una campaña del "Plan 28" para recaudar fondos mediante "suscripción pública" para permitir un estudio histórico y académico serio de los planes de Babbage, con miras a construir y probar un diseño virtual completamente funcional que luego a su vez, permiten la construcción del motor analítico físico. [31] [32] [33] En mayo de 2016, no se había intentado la construcción real, ya que aún no se pudo obtener una comprensión consistente de los dibujos de diseño originales de Babbage. En particular, no estaba claro si podía manejar las variables indexadas que eran necesarias para el programa Bernoulli de Lovelace. [34] Para 2017, el esfuerzo del "Plan 28" informó que estaba disponible una base de datos de búsqueda de todo el material catalogado, y se había completado una revisión inicial de los voluminosos libros de garabatos de Babbage. [35]
Muchos de los dibujos originales de Babbage se han digitalizado y están disponibles públicamente en línea. [36]
Conjunto de instrucciones
No se sabe que Babbage haya escrito un conjunto explícito de instrucciones para el motor a la manera de un manual de procesador moderno. En su lugar, mostró sus programas como listas de estados durante su ejecución, mostrando qué operador se ejecutó en cada paso con poca indicación de cómo se guiaría el flujo de control.
Allan G. Bromley ha asumido que la baraja de cartas podría leerse hacia adelante y hacia atrás en función de la ramificación condicional después de probar las condiciones, lo que haría que el motor Turing fuera completo:
... se podría ordenar a las tarjetas que se muevan hacia adelante y hacia atrás (y por lo tanto que se vuelvan) ... [14]
La introducción por primera vez, en 1845, de operaciones de usuario para una variedad de funciones de servicio, incluido, lo más importante, un sistema eficaz para el control del usuario de los bucles en los programas de usuario. No hay indicación de cómo se especifica la dirección de giro de la operación y las tarjetas variables. En ausencia de otra evidencia, tuve que adoptar la suposición mínima predeterminada de que tanto la operación como las tarjetas de variables solo pueden invertirse cuando sea necesario para implementar los bucles utilizados en los programas de muestra de Babbage. No habría ninguna dificultad mecánica o de microprogramación para colocar la dirección del movimiento bajo el control del usuario. [37]
En su emulador del motor, Fourmilab dice:
El lector de tarjetas del motor no está limitado a procesar las tarjetas en una cadena, una tras otra, de principio a fin. Además, puede ser dirigido por las mismas tarjetas que lee y aconsejado por si la palanca de aceleración del molino está activada, ya sea avanzar la cadena de tarjetas hacia adelante, omitiendo las tarjetas intermedias, o hacia atrás, haciendo que las tarjetas leídas previamente se procesen una vez. de nuevo.
Este emulador proporciona un conjunto de instrucciones simbólicas escritas, aunque ha sido construido por sus autores en lugar de basarse en los trabajos originales de Babbage. Por ejemplo, un programa factorial se escribiría como:
N0 6N1 1N2 1×L1L0S1-L0L2S0L2L0CB? 11
donde CB es la instrucción de bifurcación condicional o "tarjeta combinada" utilizada para hacer que el flujo de control salte, en este caso hacia atrás 11 tarjetas.
Influencia
Influencia prevista
Babbage entendió que la existencia de una computadora automática despertaría el interés en el campo ahora conocido como eficiencia algorítmica , escribiendo en sus Pasajes de la vida de un filósofo , "Tan pronto como exista un motor analítico, necesariamente guiará el curso futuro de la Siempre que se busque algún resultado con su ayuda, surgirá la pregunta: ¿mediante qué curso de cálculo puede la máquina llegar a estos resultados en el menor tiempo posible ? [38]
Ciencias de la Computación
A partir de 1872 Henry continuó diligentemente con el trabajo de su padre y luego se retiró intermitentemente en 1875. [39]
Percy Ludgate escribió sobre el motor en 1914 [40] y publicó su propio diseño para un motor analítico en 1908. [41] [42] Fue elaborado en detalle, pero nunca se construyó, y los dibujos nunca se han encontrado. El motor de Ludgate sería mucho más pequeño (aproximadamente 8 pies cúbicos (230 L )) que el de Babbage, e hipotéticamente sería capaz de multiplicar dos números de 20 dígitos decimales en aproximadamente seis segundos. [43]
Leonardo Torres y Quevedo escribió sobre los motores de Babbage en Ensayos sobre la automatización (1913). El libro contiene un diseño para una máquina electromecánica capaz de calcular el valor de una función de forma completamente automática y también incluía la idea de la aritmética de coma flotante . Torres demostró dos veces, en 1914 y en 1920, que todas las funciones de rueda dentada de una máquina calculadora como la de Babbage podían implementarse utilizando piezas electromecánicas. Su máquina analítica de 1914 utilizó una pequeña memoria construida con electroimanes; Esta máquina de 1920 usaba una máquina de escribir para recibir sus comandos e imprimir sus resultados. [43]
El artículo Instrumental Analysis de Vannevar Bush (1936) incluía varias referencias al trabajo de Babbage. Ese mismo año inició el proyecto Rapid Arithmetical Machine para investigar los problemas de construir una computadora digital electrónica. [43]
A pesar de esta base, el trabajo de Babbage cayó en la oscuridad histórica, y el motor analítico era desconocido para los constructores de máquinas informáticas electromecánicas y electrónicas en las décadas de 1930 y 1940 cuando comenzaron su trabajo, lo que resultó en la necesidad de reinventar muchas de las innovaciones arquitectónicas Babbage había propuesto. Howard Aiken , quien construyó la calculadora electromecánica rápidamente obsoleta, la Harvard Mark I , entre 1937 y 1945, elogió el trabajo de Babbage probablemente como una forma de mejorar su propia estatura, pero no sabía nada de la arquitectura del motor analítico durante la construcción del Mark I , y consideró su visita a la parte construida del motor analítico "la mayor decepción de mi vida". [44] El Mark I no mostró influencia del motor analítico y carecía de la característica arquitectónica más profética del motor analítico, la ramificación condicional . [44] J. Presper Eckert y John W. Mauchly tampoco conocían los detalles del trabajo del motor analítico de Babbage antes de completar su diseño para la primera computadora electrónica de propósito general, la ENIAC . [45] [46]
Comparación con otras computadoras tempranas
Si se hubiera construido el motor analítico, habría sido digital , programable y Turing completo . Sin embargo, habría sido muy lento. Luigi Federico Menabrea informó en Sketch of the Analytical Engine : "El Sr. Babbage cree que puede, mediante su motor, formar el producto de dos números, cada uno de los cuales contiene veinte cifras, en tres minutos". [47] En comparación con Harvard Mark, pude realizar la misma tarea en solo seis segundos. Una PC moderna puede hacer lo mismo en menos de una milmillonésima de segundo.
Nombre | Primera operativa | Sistema de numeración | Mecanismo informático | Programación | Turing completo | Memoria |
---|---|---|---|---|---|---|
Motor de diferencia | No construido hasta la década de 1990 | Decimal | Mecánico | No programable; constantes numéricas iniciales de diferencias polinómicas establecidas físicamente | No | Estado físico de las ruedas en los ejes. |
Motor analítico | No construido (diseño 1830) | Decimal | Mecánico | Programa controlado por tarjetas perforadas | sí | Estado físico de las ruedas en los ejes. |
Motor analítico de Ludgate | No construido (diseño 1909) | Decimal | Mecánico | Programa controlado por tarjetas perforadas | sí | Estado físico de las varillas |
Zuse Z1 (Alemania) | 1939 | Punto flotante binario | Mecánico | Programa controlado por perforado 35 mm película Stock | No | Estado físico de las varillas |
Bombe (Polonia, Reino Unido, Estados Unidos) | 1939 ( polaco ), marzo de 1940 (británico), mayo de 1943 (EE. UU.) | Cálculos de caracteres | Electromecánico | No programable; configuración de entrada de cifrado especificada por cables de conexión | No | Estado físico de los rotores |
Zuse Z2 (Alemania) | 1940 | Punto flotante binario | Electromecánico ( memoria mecánica ) | Programa controlado por perforado 35 mm película Stock | No | Estado físico de las varillas |
Zuse Z3 (Alemania) | Mayo de 1941 | Punto flotante binario | Electromecánico | Programa controlado por perforado 35 mm película Stock | En principio | Relés mecánicos |
Atanasoff – Berry Computer (EE. UU.) | 1942 | Binario | Electrónico | No programable; Entrada de coeficientes de sistema lineal utilizando tarjetas perforadas. | No | Memoria de condensador regenerativa |
Colossus Mark 1 (Reino Unido) | Diciembre de 1943 | Binario | Electrónico | Controlado por programa mediante cables de conexión e interruptores | No | Válvulas termoiónicas (tubos de vacío) y tiratrones |
Harvard Mark I - IBM ASCC (EE. UU.) | Mayo de 1944 | Decimal | Electromecánico | Controlado por programa mediante cinta de papel perforada de 24 canales (pero sin rama condicional) | No | Relés mecánicos [48] |
Zuse Z4 (Alemania) | Marzo de 1945 (o 1948) [49] | Punto flotante binario | Electromecánico | Controlado por programa mediante película perforada de 35 mm | sí | Relés mecánicos |
ENIAC (EE. UU.) | Julio de 1946 | Decimal | Electrónico | Controlado por programa mediante cables de conexión e interruptores | sí | Chanclas de triodo de tubo de vacío |
Manchester Baby (Reino Unido) | 1948 | Binario | Electrónico | Programa binario introducido en la memoria mediante el teclado [50] (primer ordenador digital electrónico con programa almacenado) | sí | Tubo de rayos catódicos Williams |
En la cultura popular
- Los novelistas cyberpunk William Gibson y Bruce Sterling fueron coautores de una novela steampunk de historia alternativa titulada The Difference Engine en la que la diferencia y los motores analíticos de Babbage estuvieron disponibles para la sociedad victoriana. La novela explora las consecuencias e implicaciones de la introducción temprana de la tecnología computacional.
- También se menciona el motor analítico (o el Ouroboros de relojería, como también se lo conoce allí) en El libro de la guerra , una antología de Faction Paradox editada por Lawrence Miles . Esta máquina se utilizó para calcular un camino hacia el "Imperio de los once días". Su uso resultó en la destrucción de las Casas del Parlamento originales .
- En la novela Perdido Street Station , de la autora británica China Miéville , motores similares a los de Babbage sirven como "cerebros" para las construcciones robóticas de la ciudad de Nueva Crobuzon. Uno de estos motores incluso desarrolla el pensamiento sensible debido a un bucle algorítmico recursivo.
- The British Empire of The Peshawar Lancers de SM Stirling presenta un enorme motor analítico impulsado por agua en Oxford , utilizado por dos de los personajes principales. Se observa que la mayoría de los motores funcionan a vapor y que se está construyendo uno aún más grande en la capital británica en Delhi.
- En la novela de Michael Flynn En el país de los ciegos , una sociedad secreta que se hacía llamar Babbage Society financió en secreto la construcción de Babbage Engines a mediados del siglo XIX. En la novela, la Sociedad usa los motores Babbage junto con una ciencia estadística llamada Cliología para predecir y manipular la historia futura. En el proceso, predicen el ascenso de los nazis e inician accidentalmente la Guerra Civil de Estados Unidos.
- En la novela de Neal Stephenson , The Diamond Age , se describe que la nanotecnología molecular ubicua hace uso de una "lógica de varillas" similar a la imaginada por el diseño de Babbage para el motor analítico.
- Moriarty by Modem , una historia corta de Jack Nimersheim, describe una historia alternativa en la que el motor analítico de Babbage se completó y había sido considerado altamente clasificado por el gobierno británico. Los personajes de Sherlock Holmes y Moriarty habían sido en realidad un conjunto de programas prototipo escritos para Analytical Engine. Esta breve historia sigue a Holmes mientras su programa se implementa en computadoras modernas y se ve obligado a competir contra su némesis una vez más en las contrapartes modernas del motor analítico de Babbage. [51]
- Sydney Padua utiliza un escenario similar en el cómic web The Thrilling Adventures of Lovelace and Babbage . [52] [53] Presenta una historia alternativa en la que Ada Lovelace y Babbage construyeron el motor analítico y lo usaron para combatir el crimen a pedido de la reina Victoria . [54] El cómic se basa en una investigación exhaustiva sobre las biografías y la correspondencia entre Babbage y Lovelace, que luego se tuerce para lograr un efecto humorístico.
- Georgia on My Mind es una novela de Charles Sheffield que involucra dos temas principales: enviudar y la búsqueda de una computadora Babbage legendaria.
- Las novelas de fantasía de Hugh Cook The Wishstone and the Wonderworkers y The Wazir and the Witch presentan un motor analítico creado por el científico Ivan Petrov. Se utiliza para calcular el impuesto sobre la renta.
- El proyecto en línea Orion's Arm presenta las Machina Babbagenseii , computadoras mecánicas totalmente inteligentes inspiradas en Babbage. Cada uno tiene el tamaño de un gran asteroide, solo capaz de sobrevivir en condiciones de microgravedad, y procesa datos al 0,5% de la velocidad de un cerebro humano. [55]
- Se ve que los barcos voladores en el anime Last Exile tienen motores analíticos dentro de ellos. Aunque algunos tienen tecnología más avanzada, los barcos comunes utilizan motores analíticos, e incluso se considera que algunos de los barcos avanzados también tienen mecanismos de relojería.
- Una versión funcional de Analytical Engine, creada por el inventor ficticio Ernest Harding (y basada en el concepto de Babbage) se presentó en Murdoch Mysteries (también llamado The Artful Detective), en la Temporada 5, Episodio 9, Convención de Invención . [56]
- En el episodio de 12 temporadas de Doctor Who " Spyfall Part 2 ", la máquina analítica se muestra junto con Babbage y Ada Lovelace.
- En el juego de rol 1879 , publicado por FASA Games, el motor analítico se ha generalizado y se utiliza en todo, desde transacciones bancarias hasta operaciones de centralita, y es una parte importante del mundo.
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enlaces externos
- Los papeles de Babbage , archivo del Museo de Ciencias
- El motor analítico de Fourmilab incluye documentos históricos y simulaciones en línea.
- "Imagen del" Plan general del gran motor de cálculo de Babbage "(1840), más una descripción moderna de las características operativas y de programación" . Archivado desde el original el 21 de agosto de 2008.
- Imagen de un plan posterior de motor analítico con diseño de cuadrícula (1858)
- Se ensambló el primer "barril" de Babbage en funcionamiento, alrededor de 2005
- Número especial, IEEE Annals of the History of Computing , Volumen 22, Número 4, octubre-diciembre de 2000 (se requiere suscripción)
- Babbage , Museo de Ciencias de Londres
- "El maravilloso motor analítico: cómo funciona" . Gafas 2D . 31 de mayo de 2015 . Consultado el 23 de agosto de 2017 .