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Reportagem

A Origem da Computação

Era da informação começou ao se perceber que máquinas poderiam imitar o poder da mente

Martin Campbell-Kelly
HOLLY LINDEM (ilustração fotográfica); GENE BURKHARDT (edição de imagem)
De acordo com a história tradicional, a computação evoluiu rapidamente, em curto período de tempo. Os primeiros computadores são as máquinas gigantes instaladas em laboratórios na época da Segunda Guerra Mundial. Os microchips os reduzem a desktops, a Lei de Moore prevê o quanto serão potentes, e a Microsoft capitaliza o software. Por fim, surgem aparelhos pequenos e baratos capazes de negociar ações e transmitir vídeos ao redor do mundo. Essa é uma maneira de abordar a história da computação – a história da eletrônica do estado sólido dos últimos 60 anos.

Mas a computação existia muito antes do transistor. Astrônomos da Antiguidade desenvolveram maneiras de prever o movimento de corpos celestes. Os gregos deduziram a forma e o tamanho da Terra. Os impostos eram somados; as distâncias, mapeadas. De fato, computar sempre foi uma busca da humanidade. A aritmética, assim como ler ou escrever, era uma habilidade que auxiliava o homem a interpretar o mundo.

A era da computação nasceu quando o homem procurou ultrapassar os limites práticos da aritmética. Máquinas de somar e caixas registradoras surgiram primeiro, mas era igualmente crítica a busca pela organização de computações matemáticas usando o que hoje chamamos de “programas”. A ideia de um programa surgiu nos anos 1830, um século antes do período tradicionalmente atribuído ao nascimento do computador. Posteriormente, os computadores eletrônicos modernos que surgiram durante a Segunda Guerra Mundial deram origem à noção de um computador universal – uma máquina capaz de processar qualquer tipo de informação, inclusive manipular os próprios programas. Esses são os computadores que movem o mundo atual. E embora pareça que a tecnologia da computação tenha amadurecido a ponto de se tornar onipresente e aparentemente ilimitada, pesquisadores buscam inspiração na mente, em sistemas biológicos e na física quântica para criar tipos completamente novos de máquinas.
CORTESIA DO SCIENCE MUSEUM (Máquina Diferencial)
Máquina Diferencial
A Máquina Diferencial
Em 1790, logo depois do início da Revolução Francesa, Napoleão Bonaparte decidiu que a república precisava de uma nova série de mapas para estabelecer um sistema justo de tributação imobiliária. Também exigiu a mudança do velho sistema imperial de medidas para o novo sistema métrico. Para auxiliar os engenheiros e matemáticos a fazerem a conversão, a agência cartográfica do Exército francês encomendou um novo conjunto de tabelas matemáticas.

No século 18, porém, as computações eram feitas à mão. Um “chão-de-fábrica” de 60 a 80 computadores humanos somava e subtraía números para preencher linha após linha das tabelas para o projeto de mapeamento Tables du Cadastre. Era um trabalho simples, não requerendo habilidades especiais além de matemática básica e alfabetização. Na verdade, a maioria dos computadores eram cabeleireiros desempregados – quem tivesse cortes de cabelo aristocráticos poderia perder a cabeça na França revolucionária.

O projeto levou cerca de dez anos para ser completado, mas, no fim, a república, abalada pela guerra, não tinha mais fundos para publicar o trabalho. O manuscrito ficou esquecido na Académie des Sciences por décadas. Então, em 1819, um jovem matemático britânico chamado Charles Babbage descobriu-o em uma visita a Paris. Babbage tinha 28 anos na época; três anos antes ele havia sido eleito para a Royal Society, a organização científi ca mais importante da Grã-Bretanha. Ele também conhecia bem o mundo dos computadores humanos – por várias vezes supervisionara pessoalmente a construção de tabelas astronômicas e atuariais.

Quando retornou à Inglaterra, Babbage decidiu reproduzir o projeto francês, não mais usando computadores humanos, mas com o auxílio de máquinas. A Inglaterra estava no auge da Revolução Industrial. Trabalhos geralmente realizados por humanos ou animais estavam perdendo em eficiência para as máquinas. Babbage vislumbrou o potencial da mecanização e percebeu que poderia substituir não apenas o trabalho braçal, mas também o mental.
CORTESIA DO ADLER PLANETARIUM (projetor Zeiss)
Computador analógico
Ele propôs a construção de sua máquina de calcular em 1822 e conseguiu financiamento do governo em 1824. Durante a década seguinte Babbage mergulhou no universo da indústria, à procura das melhores tecnologias para construir seu engenho. O ano de 1832 foi o annus mirabilis para Babbage. Não apenas produziu um modelo funcional de sua máquina calculadora (batizada de Máquina Diferencial), mas também publicou sua obra clássica “On the Economy of Machinery and Manufactures” (Sobre a Economia da Maquinaria e da Manufatura), estabelecendo sua reputação de maior economista industrial do mundo. Todos os sábados à noite ele promovia reuniões sociais em sua casa na Dorset Street, em Londres, frequentadas pela nata da sociedade.Nesses encontros a Máquina Diferencial foi exposta, tornando-se o centro das atenções.

Um ano depois Babbage abandonou a Máquina Diferencial para dar lugar a um projeto mais ousado – a Máquina Analítica. Enquanto a Máquina Diferencial limitava-se à tarefa de fazer tabelas, a Máquina Analítica seria capaz de realizar qualquer cálculo matemático. Como um computador moderno, teria um processador para os cálculos aritméticos (o “moinho”), memória para registrar os números (o “armazém”), e a capacidade de alterar sua função através de comandos do usuário, no caso, cartões perfurados. Em resumo, era um computador
projetado com tecnologia vitoriana.

A decisão de Babbage de abandonar a inacabada Máquina Diferencial não foi bem recebida, porém, e o governo recusou-se a fornecer verbas adicionais. Inconformado, ele produziu milhares de páginas de anotações detalhadas e desenhos da máquina na esperança de que o governo algum dia financiasse sua construção. Mas foi apenas nos anos 70, em plena era da informação, que pesquisadores estudaram esses artigos pela primeira vez. A Máquina Analítica era, como um dos pesquisadores observou, quase como olhar para o projeto de um computador de outro planeta.
BETTMANN/CORBIS
O Computador digital - Potência máxima: A computação entrou na era da eletrônica com o Eniac, inventado por J. Presper Eckert e John Mauchly, da Moore School of Electrical Engineering na University of Pennsylvania. O Eniac usava válvulas eletrônicas para armazenar números e consumia 150 quilowatts de potência, o equivalente a mais de mil PCs modernos.
A Idade das Trevas
A visão de Babbage era, em essência, a da computação digital. Assim como nos equipamentos atuais, suas máquinas manipulam os números (ou dígitos) de acordo com um conjunto de instruções e produzem um resultado numérico preciso.

No entanto, após o fracasso de Babbage, a computação entrou no que o matemático inglês L. J. Comrie chamou de Idade das Trevas da computação digital – período que durou até a Segunda Guerra Mundial. Nessa fase, a computação por máquinas se fazia basicamente usando os chamados computadores analógicos. Esses aparelhos modelam um sistema utilizando um análogo mecânico. Suponha que, por exemplo, alguém queira prever a ocorrência de um eclipse solar. Para fazer isso digitalmente, é necessário resolver as leis do movimento de Kepler.
Antes dos computadores digitais, a única maneira prática de fazê-lo era por cálculos manuais usando computadores humanos. (Durante as décadas de 1890 a 1940 o Observatório Harvard costumava empregar apenas equipes de mulheres-computadoras. Também seria possível criar um computador analógico, um modelo do Sistema Solar feito de engrenagens e eixos que avançaria no tempo .

Antes da Segunda Guerra Mundial, o computador analógico mais importante era o Analisador Diferencial, desenvolvido por Vannevar Bush no Massachusetts Institute of Technology, em 1929. Na época, os Estados Unidos estavam fazendo grandes investimentos em abastecimento elétrico rural. Esses problemas poderiam ser codifi cados em equações diferenciais ordinárias, mas suas resoluções eram muito trabalhosas. O Analisador Diferencial permitia chegar a soluções aproximadas sem qualquer processamento numérico. Era fisicamente grande – ocupando todo um laboratório – e parecia uma daquelas engenhocas complexas de desenhos animados, cheias de engrenagens e eixos rotativos, mas que realizavam tarefas relativamente simples. Para “programar” a máquina, os pesquisadores conectavam vários componentes ao equipamento usando chaves de fenda, martelos e chaves inglesas. Embora fosse trabalhoso prepará-lo, uma vez pronto, o dispositivo conseguia resolver em minutos equações que levariam vários dias para ser calculadas à mão. Uma dúzia de réplicas da máquina foram construídas nos Estados Unidos e Inglaterra.
Uma dessas réplicas pertencia ao Campo de Provas de Aberdeen, do Exército americano, em Maryland, setor responsável pelo preparo de armas alvo a uma distância conhecida, os soldados precisavam ajustar os ângulos vertical e horizontal (altura e azimute) do cano, de modo que o projétil disparado seguisse a trajetória parabólica desejada – elevando-se em direção ao céu antes de cair sobre o alvo. Eles selecionavam os ângulos a partir de uma tabela de tiro que continha diversas entradas correspondentes a diferentes distâncias de alvo e condições operacionais.

Cada entrada da tabela de tiro dependia da integração de uma equação diferencial ordinária. Um computador humano levaria de dois a três dias para fazer cada cálculo à mão. O Analisador Diferencial, em comparação, precisava de apenas 20 minutos.

Mudança Completa
Em 7 de dezembro de 1941, as forças japonesas atacaram a base da Marinha americana em Pearl Harbor. Os Estados Unidos entraram em guerra. Com a mobilização, o Exército precisava cada vez mais de tabelas, cada uma contendo cerca de 3.000 entradas.

Mesmo com o Analisador Diferencial, o acúmulo de cálculos em Aberdeen estava aumentando. A 130 quilômetros de Aberdeen, a Moore School of Electrical Engineering, da University of Pennsylvania, tinha seu próprio analisador diferencial. Na primavera de 1942 um instrutor da escola de 35 anos chamado John W. Mauchly teve uma ideia de como acelerar os cálculos: construir um “computor eletrônico” (sic), que usaria válvulas eletrônicas no lugar de componentes mecânicos. Mauchly, mais voltado à teoria, encontrou seu complemento em um jovem e ativo pesquisador da escola chamado J. Presper (“Pres”) Eckert, que já mostrava lampejos de genialidade em engenharia.

Um ano depois de Mauchly fazer sua proposta original, e após sucessivos atrasos acidentais e burocráticos, o projeto finalmente deslanchou graças ao tenente Herman Goldstine, Ph.D. em matemática de 30 anos, da University of Chicago, e contato técnico entre Aberdeen e a Moore School. Em poucos dias Goldstine conseguiu a aprovação para o projeto. A construção do Eniac – sigla para Electronic Numerical Integrator and Computer – começou em 9 de abril de 1943. Era o aniversário de 23 anos de Eckert.

Muitos engenheiros duvidaram do sucesso do Eniac. Sabia-se que a vida útil de uma válvula eletrônica era de cerca de 3 mil horas, e o primeiro projeto do Eniac utilizava 5 mil delas. Dessa maneira, a máquina não funcionaria por mais de cinco minutos sem que uma válvula queimasse, desativando-a. Eckert, porém, estava ciente de que as válvulas falhavam por estresse causado por ciclos de liga/desliga. Ele sabia que, por essa razão, estações de rádio nunca desligavam suas válvulas de transmissão. E se as válvulas operassem significativamente abaixo de sua tensão nominal durariam mais ainda. (O número total de válvulas aumentou para 18 mil quando a máquina ficou completa.)
OPPERFOTO/GETTY IMAGES (EDSAC)
O Computador de Programa Armazenado
Eckert e sua equipe completaram o Eniac em dois anos e meio. A máquina pronta foi uma grande façanha da engenharia, um gigante de 27 toneladas que consumia 150 quilowatts de energia. Podia fazer 5 mil somas por segundo e calcular uma trajetória mais rápido do que o tempo que um projétil leva para atingir seu alvo. Além disso, é um ótimo exemplo de como o acaso tem um papel importante no campo das invenções: embora a Moore School não fosse um centro de pesquisa em computação de primeira linha, o projeto aconteceu porque ela era o lugar certo, na hora certa e com as pessoas certas.

Mesmo assim, o Eniac ficou pronto apenas em 1945, tarde demais para auxiliar na guerra. Ele também tinha capacidade limitada. Podia armazenar no máximo 20 números de uma só vez. A programação da máquina levava dias e demandava a manipulação de um emaranhado de cabos que parecia o interior de uma central telefônica. Além do mais, o Eniac foi projetado para resolver equações diferenciais ordinárias. Alguns desafios – como os cálculos necessários para o Projeto Manhattan – exigiam a resolução de equações diferenciais parciais.

John von Neumann, consultor do Projeto Manhattan, ouviu falar sobre o Eniac em uma visita a Aberdeen no verão de 1944. Nascido em 1903 de uma rica família húngara de banqueiros, Von Neumann era um prodígio matemático. Aos 23 anos havia se tornado o Privatdozent (mais ou menos o equivalente a um professor-associado) mais jovem da história da Universidade de Berlim.Em 1930 emigrou para os Estados Unidos, onde, juntamente com Albert Einstein e Kurt Godel, foi um dos primeiros professores do Institute for Advanced Study em Princeton, Nova Jersey. Naturalizou- se cidadão americano em 1937.

Von Neumann logo percebeu o potencial da computação eletrônica e, alguns meses após sua visita a Aberdeen, começou a reunir-se com Eckert, Mauchly, Goldstine e Arthur Burks – outro professor da Moore School – para desenvolver o projeto de uma nova máquina, o Electronic Discrete Variable Automatic Computer, ou Edvac.
O Edvac era muito mais avançado do que o Eniac. Von Neumann introduziu as ideias e a nomenclatura de Warren McCullough e Walter Pitts, neurocientistas que tinham desenvolvido uma teoria das operações lógicas do cérebro (daí vem o uso do termo “memória” em computação). Como Von Neumann, McCullough e Pitts foram influenciados por estudos teóricos do matemático britânico Alan Turing, que provou no final dos anos 30 ser possível usar uma máquina simples para executar uma imensa variedade de tarefas complexas. Nesse período ocorreu uma mudança coletiva de percepção do computador, passando de instrumento matemático a uma máquina universal de processamento de informação.

Von Neumann imaginou a máquina com cinco partes principais: a memória armazenaria não apenas dados numéricos, mas também as instruções de operação. Uma unidade aritmética realizaria os cálculos. Um “órgão” de entrada permitiria a transferência de programas e dados para a memória, e um órgão de saída armazenaria os resultados da computação. Finalmente, uma unidade de controle coordenaria as operações.

Essa disposição, ou arquitetura, permitiria trocar o programa do computador sem alterar a estrutura física da máquina. Além do mais, um programa poderia manipular as próprias instruções. Essa característica não apenas ajudaria Von Neumann a resolver suas equações diferenciais parciais, mas também geraria uma grande flexibilidade, que é a base da ciência da computação. Em junho de 1945 Von Neumann escreveu seu artigo clássico “Primeiro esboço de relatório sobre o Edvac”, em nome do grupo. Apesar de ser um texto inacabado, rapidamente se difundiu entre os entendidos de computação, o que gerou duas consequências. Primeiro, nunca houve uma segunda versão. E, segundo, Von Neumann acabou ficando com a maior parte do crédito.
Evolução das Máquinas
Os 60 anos seguintes de difusão do computador na sociedade compõem uma longa história a ser contada em outra ocasião. Talvez o desenvolvimento mais notável tenha sido que o computador – originalmente projetado para cálculos matemáticos – acabou se tornando infinitamente adaptável a diversas aplicações, do processamento de dados de empresas à computação pessoal e à construção de uma rede global de informação.

Podemos verificar que o desenvolvimento do computador ocorreu em três áreas principais – hardware, software e arquitetura. Os avanços de hardware nos últimos 60 anos são lendários. As válvulas eletrônicas volumosas foram substituídas no final dos anos 50 por transistores “discretos” – isto é, transistores individualmente soldados em seus devidos lugares. Em meados dos anos 60 os microcircuitos eram compostos por vários transistores – que passaram para centenas e, depois, milhares de unidades – em um chip de silício. O microprocessador, desenvolvido no início dos anos 70, continha uma unidade completa de processamento em um chip. O microprocessador deu origem ao PC e agora controla dispositivos tão variados quanto sistemas de sprinklers e mísseis balísticos.

Os desafios de software foram mais sutis. Em 1947 e 1948 Von Newmann e Goldstine produziram uma série de documentos chamada “Planejamento e problemas de codificação de um instrumento de computação eletrônica”. Nesses artigos, registraram dezenas de rotinas de computação matemática na expectativa de que algum “codificador” com pouca experiência pudesse convertê- las em programas funcionais. Isso não ocorreu. O processo de escrever programas e fazê-los funcionar era extremamente difícil. O primeiro a descobrir isso foi Maurice Wilkes, cientista de computação da University of Cambridge que criou o Edsac, o primeiro computador capaz de armazenar os próprios programas de maneira prática. Em suas memórias, Wilkes lembrou-se pesarosamente do momento em 1949 quando “me dei conta de que boa parte do resto da minha vida seria gasta procurando erros nos meus próprios programas”.

Ele e outros em Cambridge desenvolveram um método de escrever instruções de computador de forma simbólica, o que facilitava todo o trabalho e diminuía o risco de erros. O computador pegaria essa linguagem simbólica e a transformaria em binária. A IBM introduziu a linguagem de computação Fortran em 1957, que simplificou muito a criação de programas científicos e matemáticos. No Dartmouth College, em 1964, o educador John G. Kemeny e o cientista da computação Thomas E. Kurtz inventaram o Basic, uma linguagem de programação simples, mas poderosa, com o objetivo de democratizar a computação e trazê-la a toda a população universitária. Com o Basic, mesmo crianças em idade escolar – o jovem Bill Gates, entre elas – poderiam começar a escrever os próprios programas.
CORTESIA DE LAKESIDE SCHOOL
Brincadeira de criança: Linguagens simples, como o Basic, popularizaram a programação. O jovem Paul Allen (sentado) e seu amigo Bill Gates trabalhando em um terminal de teletipo conectado por uma linha telefônica a um computador mainframe que ocupava uma sala inteira.
Por outro lado, a arquitetura do computador – isto é, o arranjo lógico de subsistemas que compõem um computador – praticamente não evoluiu. Quase todas as máquinas em uso hoje em dia compartilham a mesma arquitetura básica do computador de programa armazenado de 1945. A situação parece a dos automóveis movidos a gasolina –muitos refinamentos técnicos e melhorias de eficiência ocorreram em ambos os casos ao longo dos anos, mas a concepção básica é essencialmente a mesma. E embora possa ser possível projetar um equipamento radicalmente melhor, ambos chegaram a um ponto que os historiadores da tecnologia chamam de “casos encerrados”. Investimentos ao longo das décadas produziram ganhos tão altos que ninguém apresentou uma razão convincente para investir em uma alternativa.

Ainda assim há múltiplas possibilidades de uma evolução radical. Nos anos 80 surgiu grande interesse nas chamadas máquinas maciçamente paralelas, que continham milhares de elementos de computação operando simultaneamente. Essa arquitetura básica é ainda usada em tarefas de computação intensa, como previsão do tempo e pesquisa de armas nucleares. Cientistas da computação também vasculharam o cérebro buscando inspiração. Sabemos agora que a mente contém centros de processamento especializados para diferentes tarefas, como reconhecimento facial e compreensão de fala. Os cientistas estão aproveitando algumas dessas ideias em “redes neurais”, para aplicações como identificação de placas veiculares e reconhecimento de íris.

Assuntos de pesquisa mais extravagantes incluem a construção de computadores a partir de matéria viva como o DNA e computadores que tiram proveito das esquisitices do mundo quântico . Ninguém sabe como serão os computadores daqui a 50 anos. Talvez suas habilidades ultrapassem até mesmo a capacidade das mentes que os criarem.
SCIENCE MUSEUM/SSPL

A Máquina Diferencial

Engrenagens da mudança: Charles Babbage produziu um protótipo funcional de sua Máquina Diferencial em 1832. Embora tenha demonstrado a viabilidade de sua ideia, era muito pequeno para ter uso prático. A primeira versão funcional completa da Máquina Diferencial seria construída apenas em 1991, 159 anos mais tarde, pelo Museu de Ciências de Londres, que seguiu as anotações detalhadas do projeto de Babbage.
CORTESIA DE D. FINNIN AMERICAN MUSEUM OF NATURAL HISTORY

Observação estelar

Exemplo de computador analógico, o projetor de um planetário é projetado para produzir um análogo físico do movimento das estrelas e planetas. O Planetário Adler, em Chicago, instalou o primeiro exemplar americano em 1930.

Embora os projetores não sejam precisos o suficiente para computação na prática, os planetários continuam se aperfeiçoando.

Os projetores mais modernos podem ser vistos no planetário Hayden em Nova York.
FONTE: “THE EDSAC SIMULATOR PROGRAM DOCUMENTATION,” PELO DEPARTMENT OF COMPUTER SCIENCE, UNIVERSITY OF WARWICK

Troca de programa

O primeiro computador de programa armazenado foi o Edsac, construído na University of Cambridge por Maurice Wilkes e William Renwick em 1949. Tentativas iniciais de criar um sistema simbólico de programação abriram caminhos para simplificar essa atividade.

Para conhecer mais

The Difference Engine: Charles Babbage and the Quest to Build the First Computer. Doron Swade. Penguin, 2002.

Computer: A History of the Information Machine. Martin Campbell-Kelly e William Aspray. Westview Press, 2004.

The Modern History of Computing. Stanford Encyclopedia of Philosophy. http://plato.stanford.edu/entries/computing-history