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[escribe] Antecedentes

La capacidad del ser humano de realizar operaciones aritméticas sencillas se remonta unos diez mil años en la historia. Como lógica consecuencia de la simplificación de operatividad y como respuesta, en parte, al incremento de la complejidad en los cálculos a realizar, para facilitar la ejecución de los mismos han surgido diversas herramientas, entre las cuales se puede destacar:

• El ábaco:

Su invención se atribuye a los chinos. Existen pruebas de que era utilizado ya hace cinco mil años. A pesar de su origen asiático, su nombre en castellano lo hemos heredado del griego abakos, que quiere decir «superficie plana». Consiste en un tablero con cuerdas de alambre donde van insertadas bolas.

• El astrolabio:

Etimológicamente, vendría a ser «el que busca estrellas», pues entre sus aplicaciones se encuentran la determinación de la hora en que se realiza la medición, así como la hora de salida de las estrellas. Su invención se remonta a Alejandría, aproximadamente en el año 150 adC.

• La regla de cálculo:

Inventada en el siglo XVI por John Napier. Es, básicamente, una regla con una sección central móvil que se utiliza siguiendo el principio de que todos los cálculos matemáticos se pueden efectuar mediante escalas deslizantes, tanto logarítmicas como lineales.

Todavía en la década de 1970 era utilizada por ingenieros y arquitectos como instrumento auxiliar.

A principios del siglo XIX, el inglés Charles Babbage se adelantó a su época al diseñar la máquina diferencial y la máquina analítica, primeras computadoras mecánicas que, sin embargo, no fueron construidas en vida del científico.

Babbage da el esquema básico de cómo debe ser un ordenador. Los ordenadores deben tener una unidad de entrada para introducir datos, una memoria donde almacenarlos, una unidad de control para regular la secuencia de las operaciones, una unidad aritmético-lógica para hacer las operaciones, y una unidad de salida para mostrar los resultados.

El francés Joseph Marie Jacquard ideó un sistema de tarjetas perforadas para introducir los datos e instrucciones. En 1890 Hermann Hollerith, funcionario de la Oficina de Censos de Estados Unidos, ante la gran cantidad de datos que debía procesar se le ocurrió aprovechar el sistema de tarjetas perforada. Cada pregunta se respondía con un sí (un agujero) o un no (sin agujero), nace así la codificación binaria de la información, que se desarrollaría con la lógica matemática y el álgebra binaria de Boole.

Hasta 1891 no se construyó su máquina analítica, que se programó mediante fichas perforadas, gracias a la idea de la condesa Ada Lovelace (hija de Lord Byron y colaboradora con Babbage) que sugirió el uso tarjetas de manera repetida con un propósito similar al que tienen las subrutinas de hoy en día. Ada Lovelace está considerada como la primera programadora de la historia.

A comienzos del siglo XX los aparatos administrativos, tanto de los Estados como de las empresas, y el desarrollo militar, se vuelven demasiado complejos. Cada día es más perentorio inventar un sistema eficaz de tratamiento automático de la información.

[escribe] La evolución de los ordenadores: las generaciones

A principios de los años 40, Howard H. Aiken, de la Universidad de Harvard, construyó el primer ordenador moderno, Mark I, que funcionaba con relés, se programaba con interruptores y leía los datos de cintas de papel perforado.

La primera generación de computadoras, al igual que los aparatos de radio de los años 40, utilizaban válvulas electrónicas de vacío. Estas máquinas (como la inmensa mayoría de las posteriores) están diseñadas siguiendo los principios fijados por John von Neuman en la arquitectura que lleva su nombre.

Por aquel entonces no existían los sistemas operativos, y los programadores debían interactuar con el hardware del computador sin ayuda externa. Esto hacía que el tiempo de preparación para realizar una tarea fuera excesivo. Además para poderse utilizar el computador debía hacerse por turnos. Para ello se rellenaba un formulario de reserva en el que se indicaba el tiempo que el programador necesitaba para realizar su trabajo. Hay que tener en cuenta que por aquel entonces los computadores eran máquinas muy costosas y que eran monotarea, esto hacía que estuvieran muy solicitadas y que sólo pudieran utilizarse en periodos breves de tiempo.

La programación se realizaba directamente en código binario, que puede representarse mediante secuencias de ceros y unos. Cada modelo de ordenador tiene su propio código, que por esa razón se llama lenguaje de máquina. El desarrollo de los lenguajes simbólicos, así mismo propios de la máquina, permitió simplificar la escritura de las instrucciones y hacerlas más legibles.

La invención del transistor permitió sustituir a las válvulas dando lugar a la segunda generación de computadoras, formada por máquinas mucho más pequeñas que las de válvulas (aunque aún grandes, comparadas con las actuales), que no necesitaban tanta refrigeración.

Debido a que el diseño existente era tremendamente ineficiente, tanto por el tiempo en que se perdía en la planificación como por la monopolización de la computadora, se desarrolló el concepto de sistema operativo por lotes.

La década del 50 fue testigo del desarrollo de los primeros lenguajes de programación de alto nivel, especialmente Fortran (para cálculo numérico) y Cobol para aplicaciones comerciales. En estos lenguajes, conocidos como de tercera generación, se sustituyen las instrucciones simbólicas por códigos independientes de la máquina, parecidas al lenguaje humano o al de las matemáticas.

En 1965 IBM anunció el primer grupo de máquinas construidas con circuitos integrados. Con el circuito integrado, los ordenadores disminuyen de tamaño y reducen su consumo eléctrico. Además, se abaratan y se ponen al alcance de mucha gente. Pero es necesario desarrollar sistemas operativos más complejos y mejores lenguajes de programación de alto nivel para manejarlos. Estas computadoras de «tercera generación» sustituyeron totalmente a los anteriores.

Con el desarrollo del microprocesador se ha ingresado en la «cuarta generación» de ordenadores, en las que el corazón de un ordenador (la CPU) está empaquetado en una sola pastilla (un único circuito integrado).

La complejidad creciente de los sistemas a desarrollar impulsó el desarrollo de herramientas que permiten construir aplicaciones sencillas combinando piezas prefabricadas. Se las conoce como lenguajes de cuarta generación (4GL) aunque estas herramientas no son, propiamente hablando, lenguajes.

A fines de los setenta, Japón lanzó un programa muy ambicioso cuyo objetivo era el desarrollo de la «quinta generación» de ordenadores, basada en la inteligencia artificial. El proyecto duró diez años, pero no obtuvo los resultados apetecidos: los ordenadores actuales siguen siendo de cuarta generación.

[escribe] Perspectivas futuras

Los analistas prevén que el proceso exponencial continuará al menos durante la primera década del siglo XXI.
Para el año 2010 podemos esperar ver microprocesadores con 200 millones de transistores por pastilla funcionando a 3000 MHz, así como pastillas de memoria de 8 gigabits (8000 millones de bits).
Para entonces, los límites teóricos estarán a punto de alcanzarse.
Después, habrá que resignarse a la estabilización, a menos que un descubrimiento inesperado o una nueva tecnología abra nuevos caminos que permitan prolongar el crecimiento exponencial un poco más allá.

Hasta ahora, todas las computadoras utilizan componentes electrónicos y se basan en la transmisión de electrones (energía eléctrica) a través de memorias que almacenan información en forma de bits (ceros y unos) y puertas lógicas que realizan ciertas operaciones con los bits, como la conjunción (Y) la disyunción (O) o la negación (NO).
Sin salir de la electrónica, se está considerando la sustitución de los transistores por unidades sensoras de voltaje, que podrían llegar a construirse con una sola molécula y almacenaría n bits actuando únicamente sobre dos electrones, con lo que se alcanzaría una miniaturización mucho mayor que la actual.

Ya se han construido modelos, pero todavía no son prácticos, pues por el momento deben funcionar a temperaturas muy próximas al cero absoluto.
Hace al menos dos décadas que se estudia la posibilidad de utilizar fotones (luz láser) en lugar de electrones para realizar todas estas operaciones.

Así, dispondríamos de computadoras ópticas, que emplearían menos energía y serían más rápidas, pues los desplazamientos se llevarían a cabo a la velocidad de la luz, la más alta que se puede alcanzar.
En 1990 ATT construyó un primer prototipo, pero no ha habido resultados prácticos notables.

También se están analizando las perspectivas que ofrece la mecánica cuántica.
Se sabe, por ejemplo, que cuando un átomo radioactivo emite un electrón (u otra partícula), éste puede encontrarse en dos estados diferentes (se dice que tiene espín positivo o negativo).
La mecánica cuántica afirma que el electrón está real y simultáneamente en los dos estados hasta que alguien mide su espín, en cuyo momento el estado "colapsa" a uno de los dos valores posibles.
Por tanto, el espín del electrón podría contener un bit de información, pero hasta que no se realiza la medida no se ha decidido el valor que toma dicho bit, que recibe el nombre de cubit (de "bit cuántico").
Los espines de dos electrones pueden estar en cuatro estados diferentes (almacenarán dos cubits) y los de diez electrones se combinarían de 1024 formas posibles (equivalen a diez cubits).

Existen ciertos problemas, considerados los más difíciles de la informática, como el del viajante de comercio, que trata de descubrir el camino óptimo de un viajante que debe visitar varias ciudades sin pasar dos veces por la misma.

En principio, la solución es sencilla, basta probar todos los caminos, sumar las distancias y quedarnos con la suma más corta, pero el número de caminos posibles crece exponencialmente en función del número de ciudades y rebasa muy pronto las posibilidades de cálculo de las computadoras más potentes.
Si se lograse construír una computadora que almacenase la información en forma de bits cuánticos, sería posible realizar operaciones lógicas que actaran simultáneamente sobre todas las configuraciones posibles, y provocar un colapso de los estados que nos deje únicamente la solución del problema que se desea resolver.

En tal caso, resolveríamos el problema del viajante de comercio realizando todas las sumas simultáneamente en el tiempo que se tarda en calcular una sola.
Se han hecho ya experimentos sencillos de este tipo, con unos pocos cubits y algoritmos relativamente simples, y parece funcionar, aunque aún se está muy lejos de construir computadoras cuánticas prácticas que sustituyan a las electrónicas que hoy utilizamos.
Esta cuestión queda pendiente para el siglo XXI, y su solución no es inminente.

Por último, se está experimentando con el uso de ADN y otras moléculas orgánicas para almacenar información y realizar operaciones lógicas sobre ellas.

Se sabe que el ADN codifica la información genética de los seres vivos en forma de secuencias de bases nitrogenadas.
En 1998, un equipo de investigadores colocó sobre una superficie de oro moléculas de ADN de 16 bases de longitud, y consiguió realizar sobre ellas algunas operaciones que parecen abrir el camino hacia el futuro diseño de una computadora biomolecular.

El cálculo con ADN permitiría resolver rápidamente problemas difíciles, semejantes al del viajante de comercio, pues cada solución posible vendría representada por una molécula diferente y las operaciones se realizarían simultáneamente sobre todas ellas.

[escribe] Referencias

Notas