Quais avanços de engenharia abriram o caminho para computadores “modernos”?

Por "computadores modernos", quero dizer computadores eletrônicos programáveis, como aqueles que foram desenvolvidos em meados do século XX.

Meu entendimento é que os primeiros computadores, como as "máquinas de calcular" de Charles Babbage, trabalhavam principalmente em princípios mecânicos, como um "ábaco" moderno. Aparentemente, as máquinas posteriores eram mais eletronicamente baseadas. Estou falando de computadores que evoluíram do uso de tubos de vácuo para transistores para circuitos integrados e, finalmente, chips de silício.

Que avanços de engenharia permitiram que a transição acima ocorresse de meios físicos (por exemplo, tubos de vácuo) para meios eletrônicos (por exemplo, transistores) quando isso acontecia (meados do século XX)?

O transistor

O transistor foi a substituição revolucionária do tubo de vácuo , que esteve no coração dos computadores na primeira metade do século XX. Os próprios tubos de vácuo tinham apenas dois problemas principais: eram sedentos de poder e eram relativamente grandes. Em relação às suas substituições, isto é. Eles também tinham uma tendência a queimar ou vazar durante a operação, o que poderia ser desastroso.

Em 1947, John Bardeen e Walter Brattain , juntamente com William Shockley, seu chefe na Bell Labs, ampliaram com sucesso uma corrente elétrica, usando germânio. Esse "transistor de contato pontual" , como era chamado, logo foi usado para acelerar a computação e tornar os computadores menores e mais eficientes.

Um bom exemplo do transistor e do tubo de vácuo é a construção da Manchester Computers , desenvolvida na Universidade de Manchester. A primeira, a Máquina Experimental de Pequena Escala (SSEM) (desenvolvida em 1947), foi um testado de última geração para novas inovações em computação, como o tubo Williams. Mas ainda usava tubos de vácuo. Tinha 550 válvulas e recebia 3500 watts de potência.

O sucessor do SSEM, o Manchester Mark 1 (desenvolvido em 1949), era muito mais poderoso. Usou 4050 válvulas e consumiu 25000 watts de energia. No entanto, o Computador de Transistor, apropriadamente chamado, construído em 1955, usava apenas 200 transistores e 1.300 diodos, e usava apenas 150 watts. Não foi o primeiro computador a usar exclusivamente tubos a vácuo, mas foi um grande passo à frente.

É difícil dizer exatamente porque o transistor foi criado quando foi (estou respondendo a última parte de sua pergunta agora), mas pode-se argumentar que os avanços computacionais da Segunda Guerra Mundial (como o Harvard Mark I ) asseguraram que muitos novos avanços seriam feitos na computação; o transistor passou a ser um deles.

O circuito integrado

O circuito integrado , desenvolvido cerca de uma década após o transistor, também teve efeitos profundos na computação. Foi desenvolvido por Jack Kilby em 1958 - apesar de muitos outros estarem envolvidos ao longo do caminho, e há disputas sobre quem deve receber o crédito por inventá-lo primeiro - na Texas Instruments. Ele usou semicondutores para criar um chip de computador inteiro - o circuito integrado.

Um circuito integrado pode conter quantidades incríveis de transistores, e é essa complexidade e compacidade que o torna tão útil. A fabricação também foi muito mais fácil e rápida. Os circuitos integrados iniciaram uma segunda revolução da computação, que lançou as bases para computadores mais baratos que poderiam estar disponíveis para as massas.

Agora que a questão está focada na transição entre os tubos de vácuo e os transistores, eu gostaria de acrescentar algo sobre os semicondutores , porque eles desempenham um papel fundamental nos transistores.

Semicondutores permitem boa condução de eletricidade, mas uma de suas propriedades realmente úteis é que sua condução pode ser modificada em um processo chamado doping semicondutor . Isso adiciona "impurezas" ao semicondutor, adicionando elétrons ou buracos. Os semicondutores podem ser do tipo n ou do tipo p - os semicondutores do tipo n têm um excesso de elétrons, enquanto os semicondutores do tipo p têm um excesso de furos. Estes podem ser combinados para formar um diodo.

Outro desenvolvimento relevante foi a criação do processo Czochralski , que permite que os cristais sejam cultivados para semicondutores. Isso também envolve o doping de semicondutores e permitiu que os semicondutores fossem produzidos em larga escala, facilitando a construção de transistores.

Existem outras tecnologias que foram cruciais para o desenvolvimento de computadores? Claro. Eu poderia citar o tubo de vácuo, tubo de raios catódicos, drives de estado sólido e uma série de outros como cruciais para o desenvolvimento de computadores. Mas o transistor e o circuito integrado foram os dois principais atores no desenvolvimento do "computador moderno" no período de tempo relevante aqui - meados do século XX. Eu suponho que você poderia criar casos para outras tecnologias, mas eu certamente os classificaria no topo da lista.

Eu ainda estou confuso sobre o que você quer dizer com "avanços de engenharia". Para mim, coisas como tubos de vácuo, transistores e ICs são tecnologias , e engenharia é toda sobre a aplicação dessas tecnologias para problemas do mundo real, como a construção de computadores.

Engenheiros tipicamente levam cada tecnologia disponível ao seu limite prático - a ponto de outras questões se tornarem predominantes. Exemplos disso incluem:

• A capacidade de usinar as peças individuais da usina de Babbage com precisão suficiente para que funcionasse com precisão e confiabilidade. Isso se tornou o limite de quão complexa uma calculadora mecânica poderia ser.
• Tornar os tubos a vácuo confiáveis ​​o suficiente para que você pudesse operar dezenas de milhares deles por pelo menos algumas horas antes de um deles queimar. Isso se tornou o limite de quão complexo um computador de tubo a vácuo poderia ser.

Esses são os tipos de problemas de engenharia que você está procurando?

Com os circuitos integrados, a tecnologia atual atual, os problemas de engenharia incluem coisas como tamanho mínimo de recurso, dissipação de energia estática e dinâmica e densidades de defeitos. É um problema complexo encontrar a melhor combinação de parâmetros que resulta nos chips mais econômicos (e lucrativos!).

Como a descoberta de tubos de vácuo, transistores e circuitos integrados permitiu que as pessoas "engenheissem" computadores de uma forma que eles não haviam feito antes?

Como eu disse, as propriedades físicas das peças mecânicas e a capacidade de usiná-las limitavam precisamente a velocidade e a complexidade dos computadores mecânicos e eletromecânicos (baseados em relés).

A capacidade de produzir em massa tubos de vácuo confiáveis ​​tornou possível construir circuitos puramente eletrônicos que correspondiam (e eventualmente excedessem) a complexidade da lógica baseada em relé, enquanto operavam em velocidades muito mais altas: dezenas e centenas de kHz, em vez de dezenas de ciclos por segundo ou menos. No entanto, a confiabilidade dos filamentos de tubos acabou se tornando a questão dominante, uma vez que os computadores chegaram ao ponto de precisar de dezenas de milhares deles.

O desenvolvimento do transistor permitiu que os circuitos fossem encolhidos em pelo menos uma ordem de grandeza, mas o mais importante, o MTBF dos transistores excedia o dos tubos em várias ordens de grandeza. Ambas as vantagens permitiram o desenvolvimento de computadores mais complexos. Mas o tamanho físico do transistor em sua embalagem ainda apresentava um problema em termos de tamanho do computador, e o grande número de conexões discretas ainda apresentava um problema de confiabilidade.

O circuito integrado resolveu ambos os problemas, com milhões de transistores abarrotados no volume que um único transistor discreto requer, e as conexões sendo feitas padronizando o metal diretamente na superfície do CI. Tanto a complexidade quanto a velocidade dos computadores aumentaram aos trancos e barrancos à medida que aprendíamos a fazer padrões cada vez mais finos na superfície dos chips. Estamos apenas começando a ver alguns limites fundamentais sobre até onde podemos impulsionar isso antes de precisarmos de uma nova tecnologia fundamental.

O HDE 226868 já mencionou o transistor em detalhes, então eu adicionarei muitos, muitos avanços tecnológicos e históricos teóricos para a evolução do computador.

• Metalurgia
  Para o mercado de massa, você precisa de métodos baratos e confiáveis ​​para produzir os elementos eletrônicos desejados. Para a produção em massa, você precisa de circuitos integrados e isso significa que, especialmente se você vai para pequenas dimensões, você precisa de um material de base homogêneo de alta qualidade. Somente com wafers de silício de alta qualidade isso foi possível e, embora o processo de Czochralski de 1916 seja barato, não deu resultados tão bons para o derretimento de zonas de silício que foi inventado em 1950/51.

• Boolsche Algebra und Cybernetics . A álgebra lógica desenvolvida por Boolepermissão para construir computadores em estados binários. Se você já teve o prazer de usar sistemas decimais em uma máquina eletrônica (BCD), verá como é incrivelmente mais fácil implementar funções lógicas e numéricas. Com a progressão da complexidade, também foi necessário inventar os fundamentos necessários para o desenvolvimento e controle de sistemas eletrônicos complexos, de modo que a cibernética como um novo estudo começou a se desenvolver. Realmente não pode ser subestimado o que Babbage e depois von Neumann fizeram: em vez de construir modelos especializados para tarefas, eles inventaram a idéia de uma máquina programável: fornecer blocos de comandos simples e expressar sua solução com esses comandos simples em vez de religar a máquina. ainda há algumas pessoas que literalmente "reprogramam" os computadores, reconfigurando as partes!). Permitir execução condicional. Trate dados e programe como unidade. O computador de uso geral nasceu.

• Fotografia e Química Apenas a fotografia foi capaz de fornecer às pessoas a possibilidade de reduzir as soluções desenvolvidas de forma barata, robusta e eficiente. Sem a foto litografia e o desenvolvimento de substâncias químicas que permitissem gravar as estruturas microscópicas, os computadores poderiam ser pequenos, mas seriam extremamente caros.