La Genesi di Computing Elettronico

Prima degli anni '40, il termine "computer" si riferiva a un essere umano che ha eseguito calcoli a mano o con l'aiuto di calcolatori meccanici. Le immense richieste computazionali della seconda guerra mondiale—tavole balistici, codebreaking e ricerca di armi nucleari—esposti i limiti di calcolo manuale e usciti in un'epoca di innovazione senza precedenti. In pochi anni, ingegneri e matematici del paesaggio negli Stati Uniti, il Regno Unito, e la Germania

Le macchine che emergono da questo crogiolo non erano prodotti commerciali ma strumenti di urgenza nazionale. Tuttavia il loro impatto rapidamente irradiato molto oltre i cerchi militari. Trasformando equazioni matematiche in risultati tangibili a velocità elettrizzanti, hanno dato ai ricercatori attraverso le discipline uno strumento che potrebbe simulare la realtà, testare ipotesi, e passare attraverso i dati su una scala che era precedentemente inimmaginabile.

Macchine pionieristiche e loro architetti

La Z3 tedesca costruita da Konrad Zuse nel 1941, era un relè elettromeccanico programmabile e completamente automatico ma usato piuttosto che elettronico. Il Colossus britannico, operativo nel 1944 al Bletchley Park, era il primo computer digitale elettronico digitale, sebbene la sua esistenza fosse segreta per decenni.

Il progetto di John Mauchly e J. Presper Eckert, che hanno usato circa 5.000 computer per il secondo, sono diventati più bassi di un calcolatore tascabile moderno, ma migliaia di volte più veloci di qualsiasi computer umano del tempo.

La prima macchina per dimostrare con successo l'operazione di programma-scuoto è stata la Manchester Small-Scale Experimental Machine, soprannominata "Baby", che ha eseguito il suo primo programma il 21 giugno 1948. Nel frattempo, Maurice Wilkes alla Cambridge University ha sviluppato l'EDSAC, che ha eseguito il suo primo programma nel 1949 e divenne il primo pratico computer memorizzato-programma utilizzato per il lavoro di ricerca regolare.

Leaps tecnologiche: dai tubi sottovuoto ai circuiti integrati

La prima generazione di computer si basava su tubi a vuoto che erano caldi, fragili e inclini al fallimento. Gli ingegneri divennero esperti nel localizzare e sostituire i tubi bruciati su base giornaliera. Nonostante questi handicap, la velocità di commutazione elettronica rendeva le macchine indispensabili. Il passaggio da tubi a vuoto a transistor a stato solido, inventato a Bell Labs nel 1947, era il passo critico verso l'affidabilità e la miniaturizzazione.

Alla fine degli anni '50, computer transistorizzati come il TX-0 al MIT e la serie IBM 7090 hanno cominciato a comparire in istituti di ricerca. Queste macchine erano ordini di grandezza più affidabili, permettendo agli scienziati di eseguire programmi per ore o giorni senza manutenzione costante. La prossima rivoluzione è arrivata con i costi integrati del circuito, o microchip, co-inventato indipendentemente da Jack Kilby di Texas Instruments e Robert Noyce di Fairchild Semiconductor.

Per la ricerca scientifica, questi progressi hanno significato che il calcolo è cambiato da una risorsa scarsa, accuratamente razionata a uno strumento di laboratorio standard. I ricercatori non hanno più dovuto viaggiare in un unico centro nazionale per ottenere il tempo su una macchina; potrebbero eseguire simulazioni su minicomputer dipartimentali come il DEC PDP-8 o più tardi la serie VAX. Questa democratizzazione del potere di calcolo ha scatenato un'esplosione di scienza computazionale in ogni disciplina.

Trasformazione della ricerca scientifica: un nuovo modo di conoscere

La prima generazione di computer ha fatto più che accelerare i calcoli esistenti, ha permesso una nuova modalità di pratica scientifica: modellazione computazionale. Invece di affidarsi esclusivamente alla teoria e all'esperimento, i ricercatori potrebbero ora costruire modelli matematici dettagliati di fenomeni complessi e guardarli dispiegarsi all'interno della macchina. Questo terzo pilastro della scienza – simulazione – è diventato così fondamentale che è difficile immaginare fisica moderna, chimica, biologia o ingegneria senza di essa.

Fisica e Scienze Nucleari

Le prime e più drammatiche applicazioni scientifiche dei computer erano nella fisica nucleare. Il Manhattan Project stesso si era basato su sale di computer umani e macchine da cartolina IBM per modellare la diffusione dei neutroni e gli shock idrodinamici. Il primo problema principale di ENIAC dopo la sua dedizione è stata una simulazione di reazioni dei computer termonucleari per il progetto di simulazione della bomba a idrogeno a Los Alamos.

I modelli di evoluzione stellare, esplosioni di supernova e dinamiche galattiche non erano più limitati alle stime di back-of-the-envelope. Gli scienziati dell'Istituto per lo studio avanzato di Princeton, dove von Neumann ha costruito uno dei primi computer-programma, hanno eseguito alcune delle prime simulazioni di come le stelle bruciano combustibile nucleare e collasso sotto la gravità moderna.

Scienza e chimica

La meccanica quantistica aveva dato a chemisti belle equazioni per il comportamento degli elettroni nelle molecole, ma risolvere queste equazioni per qualcosa che non va dall'atomo di idrogeno era una sfida matematica scoraggiante. I primi computer hanno trasformato questo paesaggio quasi durante la notte. Nel 1950, Clemens Roothaan all'Università di Chicago ha pubblicato un documento di riferimento che riformulava le equazioni Hartree-Fock in una forma adatta per il calcolo delle proprietà dell'energia digitale.

Gli scienziati potrebbero ora simulare la struttura e la reattività delle molecole prima di entrare in un laboratorio umido. Questa capacità ha accelerato la scoperta della droga, il disegno catalizzatore e lo sviluppo di nuovi materiali. Un successo iconico è stato la simulazione della struttura dell'enzima lysozyme negli anni '60, che ha dimostrato che i metodi computazionali potrebbero affrontare le biomolecole delle radici di chimica realistica.

Biologia e genomica

Se la fisica e la chimica erano primi adottivi, la biologia seguiva presto con uguale fervore. La scala pura dei dati biologici - dalle sequenze di DNA alle popolazioni di organismi - strumenti computazionali dismessi. Nei primi anni '60, i computer cominciarono ad essere utilizzati per la tassonomia numerica Giorno e l'analisi dei dati di campo ecologico.

Il Progetto Genoma Umano, lanciato nel 1990, sarebbe stato impensabile senza l'infrastruttura di macchine automatizzate di sequenziamento incise su database di computer e algoritmi di assemblaggio. Ma molto prima, il terreno filosofico era stato preparato: i primi computer hanno dimostrato che i fenomeni naturali potrebbero essere digitalizzati, memorizzati e analizzati algoritmicamente. L'idea del "codice" dettagliato della vita è diventata più di una metafora quando il linguaggio della genetica potrebbe essere letto e la biologia emerso in tempo e analizzato con lo stesso sistema di calcolo.

Astronomia e Esplorazione Spaziale

L'astronomia è sempre stata una scienza ad alta intensità di dati, e i primi computer hanno trovato una casa naturale negli osservatori e nelle agenzie spaziali. Negli anni '50 e '60, la riduzione delle targhe fotografiche a coordinate celesti e luminosità è stata automatizzata utilizzando computer come l'IBM 701. La scoperta dei quasar e dei pulsar dipendeva dalla rapida analisi dei segnali radiotelescopi, che è stata resa possibile dalle tecniche di correlazione digitale.

Nel frattempo, i teorici hanno iniziato a eseguire simulazioni di N-body di cluster stellari e galassie. Attraverso la programmazione delle leggi di gravità in un computer e la messa in moto di migliaia di masse di punti, i ricercatori potrebbero guardare l'evoluzione delle strutture cosmiche su miliardi di anni di tempo virtuale. Tali simulazioni hanno rivelato che le galassie ellittiche potrebbero formarsi attraverso la fusione di spirali e che la maggior parte delle halos di materia oscura halos ha svolto un ruolo cruciale nella formazione sofistica.

Modelli meteo e clima

Una delle visioni più audace per i computer era la previsione numerica del tempo. In un articolo del 1950, il meteorologo Jule Charney e un team tra cui John von Neumann usarono l'ENIAC per eseguire le prime previsioni meteo automatiche 24 ore. Sebbene il modello fosse rozzo e coperto solo una piccola parte del Nord America, dimostrò che l'algoritmo funzionava.

Syukuro Manabe e Richard Wetherald hanno usato un modello di circolazione generale semplificato al Geofisico Fluid Dynamics Laboratory negli anni '60 per prevedere come i livelli di anidride carbonica avrebbero riscaldato l'atmosfera terrestre. Il loro giornale del 1967, prodotto con computer primitivi dagli standard attuali, rimane notevolmente accurato.

L'istituzionalizzazione della scienza computazionale

I computer divennero più capaci, le università e i laboratori nazionali stabilirono centri di calcolo dedicati che servivano come hub della scoperta interdisciplinare. Il Centro Nazionale per le Applicazioni Supercomputing (NCSA) e il Centro Supercomputer San Diego, entrambi fondati negli anni '80, sono diretto discendenti delle prime sale macchine a Los Alamos, Princeton e Manchester. Ma il modello era impostato molto prima: ovunque si fosse installato una nuova macchina, una comunità di ricercatori diversi campi

I pionieri come Grace Hopper, che hanno creato il primo compilatore, e Donald Knuth, che hanno sistemato l'arte della programmazione attraverso il suo magnum opus []L'arte della programmazione del computer[]], hanno aiutato a colmare il divario tra l'hardware e l'applicazione scientifica.

L'eredità dei primi computer nella ricerca moderna

I supercomputer di oggi, che eseguono più di un miliardo di calcoli al secondo, si trovano in un lineage diretto dai rack di dimensioni delle camere dell’ENIAC e del Manchester Baby. I principi fondamentali — aritmetica, programmabilità, gerarchia della memoria — encomia, anche quando l’hardware di frontiera ha spostato da relè e tubi al silicio e ora a scienziati emergenti di scala quantistica — le previsioni di ricerca che hanno portato in primo luogo a

Ciò che i primi computer hanno veramente lasciato alla scienza è stato un cambiamento filosofico, insegnando ai ricercatori che il mondo è computabile: che i sistemi complessi dalle proteine ai pianeti potrebbero essere fedelmente rappresentati come strutture e algoritmi di dati. Questa visione deterministica del mondo ha i suoi limiti, naturalmente, ma è stata sorprendentemente produttiva.

La linea temporale del Computer History Museum[[] offre un viaggio visivo attraverso queste pietre miliari, mentre le istituzioni accademiche come il [Institute for Advanced Study] conservano l'eredità di von Neumann e dei suoi contemporanei, queste risorse ci ricordano che la rivoluzione digitale non ha cominciato con i gadget sleek ma con i curatori di tubi di un profondo desiderio, spinti dall'universo, con i tubi di vuoto,

I primi computer non hanno influenzato semplicemente la ricerca scientifica; hanno ridefinito cosa significa fare la scienza. Trasformando l'immaginazione in codice eseguibile, hanno dato ai ricercatori un nuovo microscopio, un nuovo telescopio e un nuovo laboratorio, tutto fatto di logica ed elettricità.