A história secreta dos computadores

Publicado em 05/11/2009 – 19:10
por Carlos Morimoto

Embora os eletrônicos sejam uma tecnologia relativamente recente, com menos de um século, a história dos computadores começou muito antes.

Em 1901 um estranho artefato de bronze foi encontrado no meio dos destroços de um antigo navio romano que naufragou próximo à costa da Grécia. Ele era um pouco maior que uma caixa de sapatos e aparentava ter partes móveis, mas a oxidação transformou tudo em uma peça só, o que tornou a identificação quase impossível:

Em 2006 foi descoberto que ele era na verdade um computador mecânico, destinado a calcular o movimento dos astros e prever eclipses, cujas engrenagens competiam em sofisticação com o trabalho de relojoeiros da era moderna.

Até mesmo os Astecas (que sequer usavam ferramentas de metal) desenvolveram máquinas de calcular destinadas a calcular impostos, que eram baseadas em cordas e polias. Infelizmente não se sabe muito sobre o funcionamento delas, já que elas foram todas destruídas pelo colonizadores espanhóis, que viriam a entender a utilidade das calculadoras apenas alguns séculos depois…

No século 19, o matemático inglês Charles Babbage trabalhou na "Analytical Engine", que, caso tivesse sido realmente construída, poderia ter sido o primeiro computador moderno.

Embora fosse inteiramente baseada no uso de engrenagens, ela seria alimentada através de cartões perfurados (que viriam a ser a mídia básica de armazenamento de dados durante as décadas de 50, 60 e 70), teria memória para 1000 números de 50 dígitos decimais cada um (equivalente a pouco mais de 20 KB no total) e seria capaz de executar operações matemáticas com uma complexidade bem maior que a dos primeiros computadores digitais, (embora em uma velocidade mais baixa, devido à natureza mecânica). Como se não bastasse, os resultados seriam impressos em papel (usando um sistema similar ao das máquinas de datilografar), antecipando o uso das impressoras.

É bem provável que a Analytical Engine pudesse ter sido realmente construída usando tecnologia da época. Entretanto, o custo seria enorme e o governo Inglês (a única organização com poder suficiente para financiar o desenvolvimento na época) não se mostrou muito interessado no projeto.

Entretanto, uma versão mais simples do projeto, a "Difference Engine" foi realmente construída por uma equipe do Museu de Londres, que se baseou nos projetos de Babbage. Apesar do atraso de mais de um século, ela funcionou como esperado:

Outros projetos de calculadoras mecânicas mais simples foram muito usados ao longo do século 19 e na primeira metade do século 20. O ápice da evolução foi a Curta, uma calculadora mecânica portátil lançada em 1948. Ela é capaz de realizar operações de soma, subtração, multiplicação, divisão e basicamente qualquer outro tipo de operação matemática a partir de combinações de operações simples (potenciação, raiz quadrada, etc.), tudo isso em um dispositivo inteiramente mecânico, do tamanho de um saleiro:

A Curta foi bastante popular durante as décadas de 50, 60 e 70 (foram produzidas nada menos de 140.000 unidades, vendidas principalmente nos EUA e na Alemanha), e o formato, combinado com o barulho característico ao girar a manivela para executar as operações rendeu o apelido de "moedor de pimenta". Ela era usada por engenheiros, pilotos, matemáticos e muitas universidades as usavam nas cadeiras de cálculos.

A curta era composta por um total de 605 peças e usava um sistema bastante engenhoso, onde você inseria o número através de um conjunto de 8 chaves laterais (uma para cada dígito decimal), selecionava a operação usando uma chave lateral e executava o cálculo girando a manivela superior, uma vez para cada operação (para multiplicar um número por 4, por exemplo, você a giraria 4 vezes).

Para operações com valores maiores (como multiplicar 57456567 por 998) existia um segundo contador na parte superior, que servia como um multiplicador de rotações (1, 10, 100, 1000, etc.). Com isso, em vez de girar 998 vezes, você selecionaria o número 4 (multiplicador 1000), giraria uma vez para inserir o valor, mudaria o contador de volta para o 1, colocaria a chave de operação na posição de subtração, giraria a manivela mais duas vezes para reduzir até o 998, moveria a chave de operação de volta à posição original e giraria a manivela mais uma vez para executar a operação.

Os resultados eram exibidos através de um visor na parte superior, que tinha capacidade para 15 dígitos (as calculadoras de bolso atuais trabalham com apenas 8 dígitos!) e, embora fosse complicada de usar em relação a uma calculadora atual, era bastante confiável e usuários experientes eram capazes de executar cálculos com uma velocidade impressionante.

Como se não bastasse, em 1953 foi lançada a Curta Type II, uma versão maior, que permitia inserir números de até 11 dígitos e exibia resultados com até 15 dígitos.

Se ficou curioso, você pode encontrar um simulador em flash que simula uma Curta Type I no Vcalc. Outro simulador interessante é o YACS, onde você pode ver um modelo em 3D das engrenagens. Você encontra também algumas fotos reais de uma Curta desmontada aqui.

Mesmo com a introdução das calculadoras eletrônicas, a Curta continuou sendo usada por muitos, já que era muito mais leve e era capaz de trabalhar com números de até 15 dígitos. Pesquisando no Ebay, é possível encontrar algumas unidades funcionais da Curta à venda mesmo nos dias de hoje.

Apesar de impressionarem pela engenhosidade, calculadoras mecânicas como a Curta e computadores mecânicos como a Analytical Engine acabaram se revelando um beco sem saída, já que as engrenagens precisam ser fabricadas individualmente e existe um limite para o nível de miniaturização e para o número de componentes. Uma Curta não pode ir muito além das operações básicas e a Analytical Engine custaria o equivalente ao PIB de um pequeno país para ser construída. Uma nova tecnologia era necessária e ela acabou se materializando na forma dos circuitos digitais.

No final do século XIX, surgiu o relê, um dispositivo eletromecânico, formado por um magneto móvel, que se deslocava unindo dois contatos metálicos. O relê foi muito usado no sistema telefônico, no tempo das centrais analógicas. Nas localidades mais remotas, algumas continuam em atividade até os dias de hoje.

Os relês podem ser considerados como uma espécie de antepassados dos transístores. Suas limitações eram o fato de serem relativamente caros, grandes demais e, ao mesmo tempo, muito lentos: um relê demora mais de um milésimo de segundo para fechar um circuito.

Apesar disso, os relês são usados até hoje em alguns dispositivos. Um exemplo são os modems discados, onde o relê é usado para ativar o uso da linha telefônica, ao discar. Eles são usados também em estabilizadores (geralmente nos modelos de baixo custo), onde são os responsáveis pelos "clicks" que você ouve durante as variações de tensão.

O fato de usar relês e fazer barulho, não é um indício de qualidade (muito pelo contrário), mas infelizmente muitas pessoas associam isso com o fato do aparelho estar funcionando, o que faz com que produtos de baixa qualidade continuem sendo produzidos e vendidos.

Voltando à história, também no final do século XIX, surgiram as primeiras válvulas. As válvulas foram usadas para criar os primeiros computadores eletrônicos, na década de 40.

As válvulas têm seu funcionamento baseado no fluxo de elétrons no vácuo. Tudo começou numa certa tarde quando Thomas Edson, inventor da lâmpada elétrica, estava brincando com a sua invenção. Ele percebeu que, ao ligar a lâmpada ao polo positivo de uma bateria e uma placa metálica ao polo negativo, era possível medir uma certa corrente fluindo do filamento da lâmpada até a chapa metálica, mesmo que não existisse contato entre eles. Havia sido descoberto o efeito termoiônico, o princípio de funcionamento das válvulas.

As válvulas já eram bem mais rápidas que os relês, atingiam frequências de alguns megahertz, o problema é que esquentavam demais, consumiam muita eletricidade e se queimavam com facilidade. Era fácil usar válvulas em rádios, que utilizavam poucas, mas construir um computador, que usava milhares delas era extremamente complicado e caro.

Apesar de tudo isso, os primeiros computadores surgiram durante a década de 40, naturalmente com propósitos militares. Os principais usos eram a codificação e a decodificação de mensagens e cálculos de artilharia.

Durante a década de 1940 e início da de 1950, a maior parte da indústria continuou trabalhando no aperfeiçoamento das válvulas, obtendo modelos menores e mais confiáveis. Porém, vários pesquisadores, começaram a procurar alternativas menos problemáticas.

Várias dessas pesquisas tinham como objetivo o estudo de novos materiais, tanto condutores quanto isolantes. Os pesquisadores começaram então a descobrir que alguns materiais não se enquadravam nem em um grupo nem em outro, pois, de acordo com a circunstância, podiam atuar tanto como isolantes quanto como condutores, formando uma espécie de grupo intermediário que foi logo apelidado de grupo dos semicondutores.
Haviam encontrado a chave para desenvolver o transístor. O primeiro protótipo surgiu em 16 de dezembro de 1947, consistindo em um pequeno bloco de germânio (que na época era junto com o silício o semicondutor mais pesquisado) e três filamentos de ouro. Um filamento era o polo positivo, o outro, o polo negativo, enquanto o terceiro tinha a função de controle.

Tendo apenas uma carga elétrica no polo positivo, nada acontecia: o germânio atuava como um isolante, bloqueando a corrente. Porém, quando uma certa tensão elétrica era aplicada usando o filamento de controle, um fenômeno acontecia e a carga elétrica passava a fluir para o polo negativo. Haviam criado um dispositivo que substituía a válvula, que não possuía partes móveis, gastava uma fração da eletricidade e, ao mesmo tempo, era muito mais rápido.

O primeiro transístor era muito grande, mas não demorou muito para que esse modelo inicial fosse aperfeiçoado. Durante a década de 1950, o transístor foi aperfeiçoado e passou a gradualmente dominar a indústria, substituindo rapidamente as problemáticas válvulas. Os modelos foram diminuindo de tamanho, caindo de preço e tornando-se mais rápidos. Alguns transístores da época podiam operar a até 100 MHz. Claro que essa era a frequência que podia ser alcançada por um transístor sozinho, nos computadores da época, a frequência de operação era muito menor, já que em cada ciclo de processamento o sinal precisa passar por vários transístores.

O grande salto foi a substituição do germânio pelo silício. Isso permitiu miniaturizar ainda mais os transístores e baixar seu custo de produção. Os primeiros transístores de junção comerciais (já similares aos atuais) foram produzidos a partir de 1960 pela Crystalonics, decretando o final da era das válvulas.

A mudança de estado de um transístor é feita através de uma corrente elétrica. Cada mudança de estado pode então comandar a mudança de estado de vários outros transístores ligados ao primeiro, permitindo o processamento de dados. Num transístor essa mudança de estado pode ser feita bilhões de vezes por segundo, porém, a cada mudança de estado é consumida uma certa quantidade de eletricidade, que é transformada em calor. É por isso que quanto mais rápidos tornam-se os processadores, mais eles se aquecem e mais energia consomem.

Um 386, por exemplo, consumia pouco mais de 1 watt de energia e podia funcionar sem nenhum tipo de resfriamento. Um 486DX-4 100 consumia cerca de 5 watts e precisava de um cooler simples, enquanto um Athlon X2 chega a consumir 89 watts de energia (no X2 5600+) e precisa de no mínimo um bom cooler para funcionar bem. Em compensação, a versão mais rápida do 386 operava a apenas 40 MHz, enquanto os processadores atuais já superaram a barreira dos 3.0 GHz.

O salto final aconteceu quando descobriu-se que era possível construir vários transístores sobre o mesmo wafer de silício. Isso permitiu diminuir de forma gritante o custo e tamanho dos computadores. Entramos então na era do microchip.

O primeiro microchip comercial foi lançado pela Intel em 1971 e chamava-se 4004. Como o nome sugere, ele era um processador que utilizava um barramento de dados de apenas 4 bits, incrivelmente lento para os padrões atuais.

Apesar disso, ele internamente processava instruções de 8 bits, o que permitia que ele realizasse operações aritméticas relativamente complexas, apesar do baixo desempenho. A frequência máxima de operação do 4004 era de apenas 740 kHz (ou seja, apenas 740 mil ciclos por segundo) e cada instrução demorava 8 ciclos para ser executada (3 ciclos para carregar os endereços, 2 ciclos para carregar a instrução e mais 3 ciclos para finalmente processá-la), o que fazia com que o 4004 não fosse capaz de processar mais do que 92.500 instruções por segundo.

Em compensação. ele era um chip bastante simples, que era composto por apenas 2300 transístores. Pode parecer piada que cada um deles media 10 micra (10.000 nanômetros, contra os 32 ou 45 nanômetros nos processadores atuais), mas na época ele foi um grande feito de engenharia:

Embora fosse muito limitado, ele foi muito usado em calculadoras, área em que representou uma pequena revolução. Ele foi também usado em diversos equipamentos científicos e até mesmo na sonda Pioneer 10, lançada pela NASA em 1972. Ela foi a primeira a explorar o sistema solar e continuou se comunicar com a Terra até 1998, quando a distância se tornou grande demais para que os sinais enviados pela sonda fossem captados.

Mais importante do que todos os feitos do pequeno chip, o sucesso do 4004 mostrou a outras empresas que os microchips eram viáveis, criando uma verdadeira corrida evolucionária, em busca de processadores mais rápidos e avançados, que potencializou todo o avanço tecnológico que tivemos desde então.