De la calculadora al supercomputador

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De la calculadora al supercomputador

• Una visión histórica
• José Daniel García Sánchez
• josedaniel.garcia_at_uc3m.es
• http//www.arcos.inf.uc3m.es/jdaniel

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• Todo lo que era necesario inventar ya se ha
  inventado.
• Lord Kelvin, 1895.

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Qué es un computador?

• Es una máquina capaz de procesar información
  existente para producir nueva información.
• Ejemplo Determinar la edad a partir del año de
  nacimiento.
• Visión clásica

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Algunos ejemplos
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• Un poco de historia

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Antecedentes

• 276 AC Eratóstenes propone un método para
  encontrar todos los números primos.
• 820 DC Muhammad ibn Musa al-Khwarizmi escribe el
  libro Al-jabr wa'l muqabala (ágebra)
• Introduce el sistema posicional decimal.
• Elaboró una metodología para realizar cálculos.
• La palabra algoritmo procede de su nombre.

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Lord John Napier (1550-1617)

• Desarrollador de los logaritmos neperianos.
• Inventó diversos dispositivos para realizar
  cálculos sencillos
• Ábaco neperiano.
• Huesos de Napier.

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Blaise Pascal (1623 -1662)

• Matemático, físico, filósofo y teólogo.
• A los 19 años fabrica la máquina Pascalina.
• Basado en ruedas dentadas.
• Sólo Pascal y un ayudante eran capaz de
  arreglarlas.
• Se construyeron 50 modelos.
• No tuvo éxito comercial.

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Charles Babbage (1791 - 1871)

• Creador de la máquina analítica y la máquina
  diferencial.
• En la adolescencia estudió algebra por su cuenta.
• Cuando ingresó en 1811 en el Trinity College
  sabía más matemáticas que sus profesores.
• Entre 1828 y 1839 ocupó la cátedra Lucasian de
  Cambridge.
• La misma que Isaac Newton y Stephen Hawkings.

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El problema

• En la época de Babbage las tablas matemáticas se
  generaban mediante cálculos realizados por
  personas que luego se imprimían.
• Los errores en las tablas tenían un alto impacto
  económico (p. ej. naufragio de buques).

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Los errores en las tablas

• Babbge realizó un estudio de los errores que
  publicó en el artículo Observaciones de la
  aplicación de las máquinas al cálculo de tablas
  matemáticas.
• Recibió la medalla oro de la Real Sociedad
  Astronómica.
• Identificó tres razones
• Errores cometidos por las personas al realizar
  los cálculos.
• Errores en la copia de los datos al enviarlos al
  impresor.
• Errores en la composición tipográfica.

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La solución

• Diseñar una máquina que realizase los cálculos e
  imprimiese los resultados sin intervención
  humana.
• Desearía que estos cálculos se hubiesen
  realizado con una máquina de vapor.
• Charles Babbage, 1821

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La máquina diferencial

• Objetivo Tablas matemáticas automáticas.
• Primer prototipo en 1821.
• Comienza a construirse en 1823.
• En 1842 el gobierno británico cancela el
  proyecto.
• Se gastó más de 23000 libras.
• Problemas de la máquina
• Continuo rediseño.
• Desavenencias con el jefe de proyecto.
• Falta de precisión en las piezas mecánicas.
• Para lo único que podía servir aquel aparato era
  para calcular las enormes sumas de dinero público
  que se habían derrochado ya con él
• Benjamin Disraeli (primer ministro del Reino
  Unido)

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(No Transcript)
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Máquina analítica

• En 1834 Babbage concibió una máquina nueva basada
  en cuatro elementos
• Unidad de entrada.
• Unidad algorítmica.
• Controlador central.
• Unidad de salida.
• El concepto era totalmente distinto
• Era una máquina de propósito general capaz de
  realizar cualquier operación matemática.
• Capaz de usar sus propios resultados como nuevas
  entradas.
• Planteaba el uso de tarjetas perforadas.

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Qué ocurrió?

• Nunca terminó de construirse.
• Solo un prototipo.
• Estuvo sujeta a continuos rediseños.
• Si se hubiese construido hubiese hecho falta una
  máquina de vapor para mover las piezas.

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Segunda máquina diferencial

• Babbage comprendió que tenía que diseñar algo más
  sencillo aunque fuese menos potente.
• Diseño entre 1847 y 1849.
• Nunca intentó construirla.
• Personalidad de Babbage.
• Disputas con el ingeniero jefe.
• Falta de fondos.
• Falta de precisión.

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Es ese el final de la historia?

• En 1985 el British Museum, decidió construir la
  máquina diferencial número dos, usando piezas con
  la precisión de aquella época.
• Datos
• 4000 piezas móviles.
• 2.6 toneladas.
• Se terminó en 1991 (segundo centenario de
  Babbage).

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(No Transcript)
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Lady Ada Byron (1815 1852)

• Primera persona en escribir un programa.
• Fue capaz de preparar programas para la máquina
  analítica a partir de su diseño.
• Describió conceptos fundamentales para la
  programación
• Repetición (bucles).
• Subprogramas.
• Fue una inestimable ayuda para Babbage, llegando
  a vender sus joyas para ayudarle.

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Vannevar Bush (1890 1974)

• Investigador del MIT.
• 1927 Máquina para resolver ecuaciones.
• 1931 Analizador diferencial
• Primera máquina que resuelve ecuaciones
  diferenciales.
• 1935 Primer computador electromecánico digital.
• Secreteo hasta el final de la II Guerra Mundial.
• Trayectorias balísticas.

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Konrad Zusse (1910 1998)

• 1936 Z1 Primer computador programable.
• 1941 Z3 Primer computador digital programable
  electro-mecánico.

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1943 Colossus I

• Primer computador electrónico digital.
• 1600 válvulas de vacío.
• 300 mensajes descifrados al mes.
• Usado para la decodificación de mensajes en clave
  alemanes durante la II Guerra Mundial.
• Ultrasecreto hasta 1970-1996.
• Se estima que acortó la guerra en 2 años.

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1946 ENIAC

• Computador electrónico digital.
• Tablas de cálculo para artillería.
• Simulaciones numéricas para bomba de hidrógeno.
• Datos
• 1800 válvulas de vacío.
• 100 metros cúbicos.
• 30,000 Kg.
• 1900 sumas por segundo.
• 350 multiplicaciones por segundo.

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(No Transcript)
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John von Neumann (1903 1957)

• Matemático húgaro.
• Ideó el modelo que lleva su nombre.
• 1933 Junto con A. Einstein fue uno de los seis
  matemáticos del Instituto de Estudios Avanzados
  de Princeton.
• Influyó en ENIAC.
• 1944 Mark I
• Probablemente falleció debido a su exposición a
  radiaciones durante el diseño de la bomba atómica.

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El modelo von Neumann

• Base para la estructura de los computadores
  modernos.
• Instrucciones operan sobre datos escalares.
• Concepto de programa almacenado.
• Ejecución secuencial de instrucciones.
• Concepto de ciclo de ejecución de instrucciones.

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1951 UNIVAC

• Primer computador comercial 1,000,000 .
• Se construyeron un total de 48 unidades.
• 5200 válvulas de vacío.
• 15 toneladas.

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1947 El transistor

• Desarrollado en los laboratorios ATT Bell.
• Basado en materiales semiconductores (p.ej.
  silicio).
• En su estado normal no conduce electricidad.
• Si se le aplica un voltaje, si conduce
  electricidad.
• Puede usarse como un interruptor.
• Consecuencia Computadores mucho más rápidos.

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1971 El microprocesador

• Intel presenta el primer microprocesador Intel
  4004.
• Idea Integra los distintos elementos del
  procesador en un úncio circuito integrado.
• Unidad aritmética.
• Unidad de control.
• Banco de registros.
• Consecuencias
• Más rápido.
• Más barato.

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1981 El ordenador personal

• Frecuencia de reloj 4.77 MHz
• Datos de 8 bits.
• RAM 64 KB
• Discos flexibles de 5.25 pulgadas ? 160 KB
• 640 KB debería ser más que suficientes para
  cualquiera.
• Bill Gates 1981

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• Creo que en el mundo hay mercado para, quizá,
  cinco ordenadores
• Thomas Watson, 1943
• Presidente de IBM

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• Los supercomputadores

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Grandes problemas

• Hay problemas muy grandes para ser resueltos por
  un computador normal.
• Problemas extremadamente grandes.
• Simular y predecir el clima global con nivel de
  detalle inferior a 1 Km.
• Determinar el efecto de un terremoto sobre cada
  edificio de la ciudad.
• Problemas que hay que resolver muy rápido.
• Predecir qué tiempo va a hacer mañana.

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Supercomputación al rescate

• Resuelve los problemas combinando la potencia de
  muchas máquinas.

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1974 Illiac IV

• Coste 30,000,000
• Compuador más rápido del mundo hasta 1981.
• Universidad de Illinois.
• Usado para cálculos numéricos por la NASA.

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1976 Cray I

• Refrigerado con freón.
• 160 MFlops.
• 8 MB de memoria.

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Top 500
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El reto

• Construir un supercomputador de más de 1
  PetaFLOP.
• 1 billón de operaciones matemáticas por segundo.
• Se estima que se alcanzará hacia 2009.
• Diez compañías intentándolo en
• USA.
• Japón.
• China.

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Mare Nostrum

• En Marzo de 2004, el gobierno español y la
  empresa IBM, firmaron un acuerdo para construir
  el ordenador más rápido de Europa y uno de los
  más rápidos del mundo.
• MareNostrum está formado por 42 bastidores y
  ocupa 120 m2.

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Mare Nostrum

• 42.35 Teraflops de rendimiento teórico.
• 4.812 procesadores PowerPC 970FX en 2406 Nodos
  duales.
• 9.6 TB de memoria.
• 236 TB de almacenamiento en disco.
• 3 redes de interconexión

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(No Transcript)
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Para qué se usa?

• Diseño de computadores.
• Simular como será un nuevo computador antes de
  construirlo.
• Ciencias de la vida.
• Análisis genómico.
• Predicción de plegado de proteinas.
• Diseño de fármacos.
• Ciencias de la tierra.
• Calidad del aire.
• Predicción de nubes de polvo del sahara.
• Cambio climático.

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• ?

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De la calculadora al supercomputador

• Una visión histórica
• José Daniel García Sánchez
• josedaniel.garcia_at_uc3m.es
• http//www.arcos.inf.uc3m.es/jdaniel