Relés, válvulas y transistores

noviembre 26, 2017 on 6:02 pm | In colección, hist. informática | 1 Comment

Adolfo García Yagüe | Resulta imposible leer sobre la historia de la informática y no toparse con el término “generaciones”. Con esta expresión nos referimos a las etapas que han marcado la evolución y utilización de un nuevo componente en la fabricación de ordenadores. Lógicamente, como no podía ser de otra forma, la existencia de una nueva técnica, innovación o componente, suele alumbrar otras invenciones. Me refiero, por ejemplo, al hecho de que el uso de Circuitos Integrados permitió la fabricación y la miniaturización de una nueva generación de ordenadores pero, además, facilitó la invención de la Unidad de Diskettes.

Empezamos pues en lo que había al comienzo, antes de la Primera Generación. Como hemos visto en otros artículos las primeras máquinas eran mecánicas. En su interior había innumerables relés que se encargaban de hacer las operaciones lógicas. El relé era conocido desde los tiempos del telégrafo y se inventó para “relevar” el debilitado impulso eléctrico a lo largo de los tendidos de cable. Fue inventado en 1835 por el americano Joseph Henry (1797-1878) y era usado, como he dicho, como “amplificador” de estas líneas. Los técnicos se percataron de que el relé facilitaba el control de la conmutación y no se tardó en elucubrar una central telefónica “automática” donde, para poner en contacto a dos personas, no medie un operador (esto pasó a principios del siglo XX). En esa época un afamado ingeniero español, Leonardo Torres Quevedo (1852-1936), venía trabajando en maquinas analógicas mecánicas y se dio cuenta de las posibilidades del relé al construir autómatas que tenían que tomar alguna decisión lógica ante un evento. Se adelantó a su tiempo y en 1914 presentó un tratado llamado “Ensayos sobre automática”.

Torres Quevedo fue un sabio y, aunque era una figura reconocida dentro y fuera de España, la construcción de un autómata no era su prioridad técnica y la opinión pública estaba más interesada en sus grandes dirigibles y, por su puesto, en el transbordador con el que se cruza las cataratas del Niágara.

No fue hasta el año 1937 cuando un científico –de la Bell Telephone– llamado Claude Shannon (1916-2001) abordó matemáticamente el estudio de los circuitos de relés. Este no era un tema trivial para un constructor de centrales telefónicas ya que cuantos más usuarios «cuelgan» de una matriz de relés resulta más complejo poner en contacto a dos personas y no perjudicar al resto. Es decir, establecer el circuito y no afectar a otro que ya comunica a dos personas… Mientras Shannon investigaba en la lógica de las citadas redes su colega de la Bell, George Stibiz (1904-1995), fabricaba en la cocina de su casa una calculadora basada en relés. En 1938 Shannon publicó el famoso artículo “Análisis Simbólico de Relés y Circuitos de Conmutación” y Stibiz demuestra que era posible la construcción de un ordenador. Estos trabajos no dejaron indiferente a nadie y coinciden con la construcción del Mark 1 entre la Universidad de Harvard e IBM. Lejos de EE.UU., en la Alemania del ’38, Konrad Zuse (1910-1995) construía su máquina Z1, también basada en relés.

El texto de Shannon y el Mark I pusieron tras la pista a más de uno. El mundo estaba en vísperas de la Segunda Guerra Mundial y se necesitaba una máquina de mayor capacidad, precisión y, sobre todo, rapidez. Así es como nace ENIAC (EE.UU.) y Colossus (Reino Unido). Esa necesidad militar será la que “impulse” el desarrollo de los primeros ordenadores basados en válvulas de vacío. Es decir, de la primera generación.

Primera Generación
La válvula fue inventada en 1904 por el británico John Ambrose Fleming (1849-1945) a partir de un fenómeno descubierto -pero no entendido- por Thomas Alva Edison (1847-1931). Fleming inventó y patento el tubo de vacío como diodo y aplicó su capacidad para rectificar corriente alterna en continua a la detección de señales de radiofrecuencia. Mientras esto sucedía, el americano Lee De Forest (1873-1961) introducía una “rejilla” polarizada entre el cátodo y el ánodo del diodo, dando lugar al triodo. Aunque parezca mentira, las aplicaciones de este tríodo -recién inventado- son muy numerosas e introdujo a la humanidad en la era de la electrónica.

Resumidamente, la válvula permite controlar un flujo de electrones dentro de un medio gaseoso a baja presión. Estos gases, o el vacío, hacen que sea necesario confinarlos dentro de una ampolla de cristal cerrada herméticamente. Por “control” nos referimos a la amplificación, modulación y conmutación del citado haz de electrones. Estos electrones se generan (emisión termoiónica) cuando el filamento alcanza la incandescencia (de 900 a 1000 grados centígrados) aplicando un voltaje relativamente bajo, por ejemplo, a 6V y 1A. En cambio, para el control de los mencionados electrones en el interior del tubo se requiere tensiones más altas que pueden llegar a más de 100 voltios. Pese a esas dificultades técnicas, derivadas de la alta temperatura, su tamaño y el consumo eléctrico, se han construido numerosas máquinas basadas en tubos de cristal, incluyendo los primeros “cerebros electrónicos”.

De este capítulo el más conocido -por ser el más publicitado- fue el ENIAC. No obstante, hace unos años, el Reino Unido hizo público que usó durante la II Guerra Mundial un ordenador llamado Colossus para descifrar los códigos alemanes. Aquellas máquinas eran grandes calculadoras programables mediante conexiones que facilitaban la toma de decisiones de los militares. Todavía no eran programables con algún tipo de lenguaje.

Por parte de IBM, sus tabuladoras mecánicas evolucionaron hacia el empleo de válvulas. Tras la contienda, destaca el nacimiento de la firma UNIVAC quién construirá el primer ordenador comercial, multipropósito y programable. En su origen, UNIVAC fue una compañía dirigida por John Presper Eckert (1919-1995) y John William Mauchly (1907-1980) quienes, años antes, estaban al frente del ENIAC. Se inicia así la competición entre fabricantes.

Esta primera generación nos dejó innovaciones que ahora consideramos básicas, como el almacenamiento masivo y la programación en ensamblador. Quizás, el libro que mejor resume esta época es “High-Speed computing devices”, publicado en 1950. Obviamente las revistas de la época se hacen eco de lo que sucede. En particular Radio Craft, más tarde denominada Radio-Electronics y enfocada en la electrónica, la incipiente televisión, la radio y, como no, los radioaficionados. No debemos olvidar que son años donde la válvula de vacío es muy común y representa la pieza central de cualquier aparato electrónico.

En un plano más cercano, las calculadoras mecánicas evolucionaron tímidamente al uso de las válvulas. A pesar de que ya se conocía como debían estar construidas, la adopción de este invento por parte de los fabricantes fue muy tardío y apenas unos pocos se animaron. El caso es paradójico porque, en la fecha que -por fin- se usó la válvula, ya estábamos metidos en la segunda generación.

Segunda Generación
La válvula funciona, incluso funciona tan bien que hoy en día se sigue empleando en algún dispositivo. No obstante, dejando a un lado su uso actual en la amplificación audio “sibarita” y en algunas etapas de radiofrecuencia, ya no es un elemento de uso masivo. Como decía arriba la válvula impone importantes condicionantes técnicos. Alguno de ellos tiene que ver con el tamaño y el calor que desprenden. También su fragilidad, al tratarse de un elemento de cristal, sin olvidar de su precio. Es evidente que un ordenador de la primera generación necesita muchas válvulas, y estás fallan de vez en cuando, es muy grande y consume mucho.

Era una necesidad buscar algún material que permitiese, de una manera fácil, el control de los electrones cuando pasan a través suyo. Aquel material existía y se conocía dicho fenómeno, se trataba del Germanio y su propiedad llamada “semiconducción”. Este elemento químico que está presente en la tabla periódica no es de fácil obtención. Como digo, aunque era conocido, había que conseguirlo, purificarlo y hacer algo útil con él. Posiblemente, alguna de estas razones, hizo que no se inventara antes de transistor. John Bardeen (1908-1991), Walter Brattain (1902-1987) y William Shockley (1910-1989) profundizaron es su propiedad semiconductora, como alternativa a una válvula. Se estudió a fondo y se construyó el transistor en 1948. Una vez más, fue en los laboratorios Bell y los implicados fueron reconocidos con el premio Nobel en 1956. Rápidamente, para la construcción de los mencionados transistores, se usó Silicio en lugar de Germanio. Este elemento es más abundante, más barato y, además, sus propiedades semiconductoras son mejores.

El uso de transistores representa una auténtica revolución. A diferencia de las válvulas, es un componente resistente y pequeño, muy barato y, a la hora de diseñar, se simplifica enormemente este. Con las citadas propiedades a tu favor no es de extrañar que el uso de transistores hay permitido máquinas más rápidas, baratas y potentes. En cualquier caso, no todo es perfecto…

La citada imperfección reside en que el transistor, como lo vemos a través nuestros ojos, es un elemento con “volumen”. Es decir, aunque es muy pequeño, tiene tres alambres o patitas y un cuerpo que le da forma. Se puede ver y tocar. Esta necesidad de tamaño y la conexión de las mencionadas patas al elemento semiconductor hacen difícil reunir un buen número de transistores en un mismo circuito. Los científicos e ingenieros eran conscientes de esta limitación pero -de la forma habitual- no parecía tan evidente pasar un objeto 3D (el transistor y sus respectivas patitas), con forma y volumen, a algo totalmente plano.

Hay numerosos padres y compañías que se atribuyen alguna parte de la paternidad del transistor planar pero, el mayor mérito, corresponde a Jean Hoerni (1924-1997) de la compañía Fairchild. En aquel tiempo había mucha innovación alrededor de los semiconductores por eso el número de compañías, nombres y patentes es muy largo y, sin pretenderlo, se produce una innovación colaborativa. Esto es, uno puede inventar la técnica para fabricar pero el siguiente, que es de otra compañía, inventa el producto. Así ha pasado con los transistores y los semiconductores en general. La nube de patentes que hay detrás de un producto es inmensa y es obra de personas y compañías diferentes.

El transistor nos dejaría ordenadores más grandes y potentes pero, sobre todo, hizo posible que estos se programen en lenguajes de alto nivel. Es decir, lenguajes con sentido para los humanos. Así es como nacieron los legendarios FORTRAN y COBOL. El primero fue inventado a medida de los ingenieros y los científicos (FORmula TRANslation), y el segundo (Common Business-Oriented Language) estaba pensando para ser usado por contables y gente que maneja grandes listas. En este punto hay que recordar que el COBOL se inspiraba en el más antiguo de todos, el FLOW-MATIC, inventado en 1955 por Grace Murray Hopper (1906-1192) y usado en UNIVAC.

Por otro lado, mencionar que, las primeras unidades de almacenamiento masivo y acceso aleatorio (discos duros), nacen en esta época de la mano de IBM y su RAMAC (1956). También aparecerá la compacta memoria RAM basada en minúsculos núcleos de ferrita. Estas tarjetas de memoria permitieron prescindir de los complejos Tubos Williams (basados en la pantalla de un osciloscopio) y líneas de retardo de magnetostricción. Las Memorias de Ferrita aportarían cierta “modularidad” dando un aspecto más compacto, a la altura del transistor. No hay que olvidar que se conocía como fabricar una memoria RAM con válvulas o transistores, incluso con relés, haciendo con ellos un flip-flop o biestable. No obstante, el tamaño (número de bits) que se puede almacenar es muy limitado y su rapidez depende de este circuito, pudiendo representar un cuello de botella. Aun así, el biestable es un circuito ampliamente empleado en la construcción de ordenadores y la disminución de su tamaño ilustra a la perfección la evolución de la que estamos hablando.

Por último, anteriormente he citado a Jean Hoerni y su invento dentro de Fairchird, pero no he mencionado la historia que cuenta que él y otros colegas que abandonaron al mismísimo William Shockley aduciendo que su carácter controlador limitaba la creatividad de aquel que trabajaba a su alrededor. Así es, no olvidemos que en aquella época la invención de Shokckey, y él mismo, gozaban del reconocimiento mundial. Supongo que con semejante palmarés no era complicado montar una compañía que llevara su propio nombre: “Shockley Semiconductor Laboratory”. Hoerni y otros compañeros eran jóvenes (más o menos 15 años menos que Shockley), con ideas frescas y un planteamiento claro: Los avances (o retrocesos) de una investigación marcaban el camino a seguir. Diferente a Shockley, quien prefería seguir lo que se (él) decidía desde el principio hasta el fin. Queramos o no, había un pequeño salto generacional y las cosas empezaban a ir muy rápido. También, esta actividad dejaba de ser cosa de las compañías ya establecidas, existiendo una oportunidad para los recién llegados y, sobre todo, para los bancos y sus inversiones que miraban con curiosidad todo aquello. Volveremos sobre el tema…

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