On the occasion of my visit to the collection of retro computers HistoryBit, I had the pleasure of meeting Davide Fornasiero, together with his brother Alberto Fornasiero. Davide has always been passionate about vintage technology. He made this documentary, which describes the evolution of calculation, the history of the computer, starting from the sumerian tables and the abacus.
This is the first episode of Davide Fornasiero's documentary on the history of the computer, which starts from the abacus and reaches the electromechanical computers of the late '800.
0/1 A code along millennia
L'uomo contemporaneo è abituato, ormai, a usare con naturale dimestichezza calcolatori superveloci, a navigare in rete, comunicare con Blog e Web.
Chi non prova il desiderio di spostare l'orologio della storia indietro di secoli, se non millenni, facendo riemergere dall'oblio il percorso compiuto dall'uomo fin dalle origini?
Partiamo da una qualche forma primordiale di calcolo, semplicemente contando sulle dita. Poi, passiamo per le tavolette dei sumeri, dall'abaco e via via arrivando fino all'evoluzione moderna. La genesi di questo cammino, la storia del computer, assume un interesse tale, che la cronaca diventa romanzo e la ricerca diventa passione. Ed è da questo caleidoscopio di appunti, immagini, personaggi, che prende forma e movimento questo lavoro. Non solo si vuole descrivere la tecnica, ma anche l'umanità dei suoi protagonisti.
The pioneers of calculation
Filosofi, matematici, scienziati si sono addentrati nel mondo dei numeri, avvertendo l'esigenza di meccanizzare il calcolo matematico. L'inizio di questo viaggio nella storia del computer ci fa risalire a circa il 450 a.C. per trovare il primo dei calcolatori numerici: L'Abacus. Questo interessante strumento pare abbia incontrato il favore di molti popoli così da essere via via modificato a seconda delle esigenze di ogni singola cultura. Non si sa quale popolo abbia inventato questa semplice, ma efficace, macchina calcolatrice. Forse i babilonesi, ma diverse interpretazioni dell'Abaco le troviamo anche presso i Maya, gli Aztechi, gli Egiziani, i Cinesi, e perfino presso i Romani. La parola "abaco" viene dal semitico “abaq”, che significa "polvere", "sabbia". Infatti gli abachi più antichi erano tavoli ricoperti da un sottile strato di sabbia sui quali con uno stilo si segnavano i calcoli.
Ma, nonostante le varie evoluzioni, la struttura dell'Abaco è sempre la stessa, ed è costituita da un telaio in legno dotato di una serie di colonne verticali sulle quali un certo numero di palline possono scorrere liberamente. Un elemento orizzontale, sempre in legno, divide il telaio in due parti: una superiore e una inferiore. Ciascuna pallina della sezione superiore vale cinque, mentre quelle della sezione inferiore valgono uno. Si conta ogni pallina allorché la si sposta verso l'elemento di separazione fra le due sezioni dell'Abaco. La colonna più a destra è quella delle unità, quella adiacente verso sinistra è quella delle decine, e così via.
Ancora oggi un operatore che abbia dimestichezza con l'Abaco può manovrare le palline sulle asticelle con enorme velocità di calcolo. Nel 1946 ebbe luogo una gara tra un soldato americano, un certo Thomas Nathan Wood, e l'impiegato dell'ufficio Risparmi del Ministero dell'Amministrazione Postale Giapponese Kiyoshi Matsuzaki. I due dovettero risolvere alcuni problemi aritmetici. Il soldato disponeva di una calcolatrice elettrica a comando manuale, mentre Matsuzaki l'Abaco. Matsuzaki vinse sempre!
History of the computer, the need for automatic calculation
So wrote the German philosopher and mathematician Leibniz:
"It is not worthy of excellent men to waste hours as slaves to make calculations that could easily be entrusted to someone else if machines were used"
L'affermazione di Leibniz rispecchia quanto fosse avvertita nel secolo XVII l'esigenza di meccanizzare il calcolo matematico. Quelli erano anni caratterizzati da una intenso lavoro matematico, ingegneristico e scientifico che implicava calcoli e stimolava l'impiego di nuovi algoritmi.
Così fu nel 1600, per esempio, che Nepero inventò una funzione matematica oggi famigliare ad ogni studente: Il “Logaritmo”. Anche se non fu l'invenzione di una macchina calcolatrice, fu però un formidabile contributo pratico sulla strada dell'automazione dei calcoli complessi.
Pure le funzioni trigonometriche, richiedevano di essere calcolate o perfezionate, poiché il loro impiego era reso necessario dallo sviluppo della navigazione marittima, dagli studi astronomici, e dalle rilevazioni topografiche. Nel 1900, presso Antikithera, una piccola isola che si trova fra la Grecia e l'isola di Creta, un pescatore di spugne trovò il relitto di una nave greca.
Dalle immersioni che ne seguirono si riportarono alla luce reperti di notevole valore tra cui uno strano manufatto apparentemente di pietra. Una volta ripulito dalle incrostazioni celava in realtà uno dei più interessanti e misteriosi congegni dell'antichità chiamato “Antikithera mechanism", and traced back between 150 and 100 a.C.
Veniva usato per il calcolo astronomico permettendo così di calcolare la posizione del sole e della luna in un determinato periodo dell'anno. Calcolava anche le eclissi e le posizioni degli altri pianeti. Con i suoi 23 ingranaggi di precisione, questo strumento è stato ineguagliato per secoli. Prima che l'uomo riuscisse a produrre qualcosa di simile dovettero trascorrere più di 1000 anni. Non è dato sapere dove il meccanismo di Antikithera sia stato costruito. Recentissimi studi ci dicono che, con molta probabilità, fosse originario di Siracusa dove visse Archimede, il cui planetario meccanico venne citato anche da Cicerone. Purtroppo del lavoro di Archimede non ne è rimasta nessuna traccia.
Computer history, experiments and attempts
Leonardo da Vinci
Il 13 febbraio 1967 dei ricercatori americani fecero un'incredibile scoperta nella Libreria Nazionale di Spagna: Trovarono due lavori sconosciuti di Leonardo da Vinci, oggi conosciuti come il “Codice di Madrid”. Era raffigurato uno strano congegno con degli ingranaggi, concepito, forse, per effettuare calcoli con il sistema decimale. La macchina disegnata da Leonardo era basata su una serie di ruote dentate. Avrebbe dovuto permettere di eseguire le operazioni di addizione e sottrazione, ma, attriti meccanici condizionavano pesantemente il funzionamento di un eventuale prototipo.
Blaise Pascal
From here begins the path of the pioneers who began the long journey that was to lead to the current computers.
La prima macchina calcolatrice meccanica vide la luce nel 1623, ad opera di Wilhelm Schickard, ed era in grado di eseguire le quattro operazioni basilari. Fu purtroppo distrutta nel corso della guerra dei trent'anni. Fu poi nel 1642 che il filosofo francese Blaise Pascal, che volendo facilitare il lavoro del padre ispettore delle tasse realizzò, senza conoscere il lavoro di Schickard, una macchina simile in grado però di fare solo addizioni e sottrazioni.
This machine was called "La Pascaline", in Italian "Pascaline”. Era composta da una serie di ruote dentate indicanti le unità, le decine, le centinaia e così via, ed ognuna era divisa in dieci settori dallo 0 al 9. Il suo funzionamento era alquanto semplice: Per eseguire la somma 9 + 3, si impostava la ruota delle unità sul 9 e la si faceva avanzare di 3 posizioni. Si otteneva così un 2 sulla ruota delle unità e un altro 1 sulla ruota delle decine che veniva automaticamente ruotata da alcuni ingranaggi, fornendo il numero 12 risultato dell'operazione. Operava dunque in maniera rudimentale; tuttavia essa applicava un principio fondamentale del calcolo meccanico: il “riporto automatico”. Ancora oggi è il principio che regola il funzionamento del contachilometri delle automobili.
Gottfried Leibniz
Gottfried Leibniz, filosofo e matematico tedesco, progettò una macchina calcolatrice più avanzata di quella di Pascal. Era il 1664. Il suo contributo alla storia del calcolo è fondamentale. A Lui si deve la scoperta del sistema di numerazione binario su cui si basa il funzionamento di tutti i computer moderni. Egli dimostrò che con il sistema binario l'esecuzione della moltiplicazione avviene attraverso l'addizione e nel 1683 concepì una macchina moltiplicatrice basata su questo principio. Il sistema di numerazione binario è citato da Leibniz in un suo manoscritto datato 15 marzo 1679. In esso è riprodotta una medaglia da lui disegnata che, curiosamente, collega la numerazione binaria alla teologia. In alto vi era scritto:
"One created everything from nothing", and below "One is necessary."
Gottfried Leibniz non poteva certo prevedere che la numerazione binaria sarebbe stata essenziale per la realizzazione dei calcolatori, ma la facilità con cui è possibile rappresentare un 1 o uno 0 in elettronica ha reso quasi automatica la scelta di questo sistema. Nella macchina di Leibniz si faceva uso di quella che prese il nome di “ruota di Leibniz” che immagazzinava il risultato di una operazione in un registro totalizzatore che man mano “accumula” il risultato fino al suo valore totale. Questo meccanismo permetteva di eseguire la moltiplicazione secondo il principio, semplice ma prolisso, dell'addizione ripetuta. 4 x 3 = 12, si calcola come 4 + 4 + 4 = 12. Il principio usato da Leibniz venne a sua volta ripreso e migliorato nel 1820 dal francese Charles Xavier de Colmar nel suo “aritmometro”.
Al primo sguardo il meccanismo di Pascal e di Leibniz si rivela imparentato con i meccanismi dell'orologeria. Il meccanismo dell'orologio si ricollega per due vie alla storia dell'elaboratore. Da una lato, l'elaboratore è una macchina cibernetica. La cibernetica ha i suoi antenati negli automi dei secoli scorsi, mentre l'altro punto in cui la storia si interseca con quella dell'elaboratore, riguarda l'evoluzione tecnologica. La costruzione di orologi monumentali, con automi o con strumenti astronomici sempre più complessi e, parallelamente, di orologi portatili sempre più piccoli e precisi, porta la meccanica di precisione ad un altissimo livello. L'orologeria, quindi, giunta al culmine del suo sviluppo, lascia così una preziosa eredità tecnologica all'emergente disciplina del calcolo automatico.
Giovanni Poleni
A Giovanni Poleni, marchese veneziano, scienziato e docente presso l'università di Padova, va il merito per la realizzazione della prima calcolatrice meccanica inventata e realizzata in Italia. Prosegue la storia del computer. Poleni ebbe l'idea di sfruttare, come “motore”, un peso analogo a quello usato negli orologi a pendolo. Era un peso legato ad una corda avvolta su di un asse. Man mano che questi scendeva faceva ruotare l'asse e dava quindi il movimento a tutta la calcolatrice.
Operation.
The core of the machine is represented by the "transposer”, una ruota munita di denti rialzabili che interagisce con dei piccoli ingranaggi a dieci denti fissi, detti accumulatori. Quindi, per impostare le cifre sul traspositore si devono attivare, alzandoli, i denti equivalenti al numero da elaborare. Ad ogni rotazione gli accumulatori avanzano in base ai denti rialzati sul traspositore. Ogni giro completo di un accumulatore (dieci denti, equivalenti a dieci unità), fa avanzare automaticamente un dente dell'accumulatore successivo, effettuando così l'operazione di riporto. Un quadrante anteriore numerato da uno a nove permette di impostare il moltiplicatore mediante l'inserimento di un piolo che ferma la macchina dopo il numero di rotazioni desiderato. Il risultato viene così visualizzato in piccole finestrelle che mostrano altrettanti dischi numerati fissati agli assi degli accumulatori.
Questo primo esemplare era di fatto una macchina completa che avrebbe potuto dare grandi risultati se non avesse avuto un grande difetto. Erano dispositivi meccanici e come tali richiedevano di essere costruiti con una certa precisione. Purtroppo, le conoscenze di tecnologia meccanica del tempo non erano certo in grado di risolvere questi problemi e si dimostrarono del tutto inadeguate per impieghi pratici. Nella prima opera a stampa di Giovanni Poleni, pubblicata verso la fine del 1709 presso l'editore Aloisio Pavino, dal titolo “Miscellanea”, riportava nel frontespizio questi tre diversi argomenti:
1 – A dissertation on barometers and thermometers
2 – The description of an arithmetic machine and its use
3 – A treatise on conical sections and their use in the sundial project
The second section of the miscellany therefore deals with the first Italian mechanical calculator.
The history of the computer also passes through negative events. It is said that, when the Italian scientist learned that a certain Braun presented King Charles VI with a machine similar to the one he designed, the disappointment was such that he destroyed his masterpiece in a thousand pieces. Luck wanted that the drawings and construction methods contained in Poleni's book, the famous "Miscellaneous", reached the present day.
Joseph Marie Jacquard
In questo lungo percorso di ricerca, per arrivare a velocizzare le macchine da calcolo, abbiamo visto l'impegno di studiosi, fisici, matematici e filosofi.
Ma, a dare un contributo importante allo sviluppo dei calcolatori e alla storia del computer, sarà un modesto tessitore lionese: Joseph Marie Jacquard. Egli ebbe l'intuizione di impiegare schede perforate per i suoi telai.
I fori opportunamente predisposti sulle schede, permettevano di programmare i licci del telaio. Le schede perforate contenevano il lavoro dei tessitori, in modo permanente. Ogni scheda riproduceva un segmento dell'intero disegno mediante una serie di perforazioni. La presenza del foro permetteva di inserire un certo filo nell'ordito, mentre l'assenza di foro escludeva l'inserimento di quel filo.
Il disegno da riprodurre su un drappo veniva così decodificato su una serie di schede perforate, che venivano poi congiunte una all'altra. Si otteneva, così, l'intero disegno su quello che noi oggi chiameremmo nastro. Jacquard, nel 1801, riuscì a brevettare il suo telaio. I tessitori lionesi, nel timore che l'innovazione avrebbe messo a rischio il loro lavoro, distrussero il telaio e osteggiarono in ogni modo il suo inventore.
Nonostante le difficoltà due anni dopo, nel 1803, gli venne riconosciuta l'importanza del suo lavoro. Joseph Marie Jacquard fu chiamato a Parigi, presso il Conservatorio d'Arti e mestieri, con il compito di continuare a perfezionare il suo progetto.
History of the computer, the pioneers
Charles Babbage
Nella storia del calcolo automatico si incontra ora una singolare figura, che per primo ebbe l'intuizione del concetto di calcolatore: il matematico inglese Charles Babbage. Intelligentissimo, ricco di brillanti idee, ebbe successo in numerosi campi di attività. Suo il suggerimento di fare individuare i fari per la navigazione occultandone periodicamente la luce; idea semplice ma efficace da essere applicata ancora ai giorni nostri.
Suggerì di semplificare il servizio postale mediante l'istituzione di un porto fisso e indipendente dalla distanza alla quale una lettera doveva arrivare. Pochi anni dopo proprio su queste argomentazioni Sir Rowland Hill introdusse il francobollo. Inventò il primo tachimetro, sostenendo che ce ne doveva essere uno nella cabina di ogni locomotiva. Babbage, come peraltro tutti gli studiosi dell'epoca, faceva largo uso delle tavole matematiche, e fu proprio davanti a una di quest'ultime, piena di logaritmi, che indicando con il dito, disse ad un amico:
"I think all these tables could be calculated by machine."
Since then this brilliant man was possessed by the dream of building a machine capable of automatically carrying out any arithmetic operation. To this end he devoted the years from 1824 until his death in 1871.
Charles Babbage, per ovviare alle imprecisioni e agli errori delle tavole numeriche, come quelle dei logaritmi, costruì il prototipo di una prima macchina che chiamò “Macchina differenziale”. Tale progetto si rivelò così interessante che il governo britannico gli concesse un finanziamento di 1500 sterline che gli permesse di proseguire i lavori. Nel 1824 la Royal Astronomical Society gli conferì la medaglia d'oro.
Purtroppo, per l'inadeguatezza delle tecnologie dell'epoca, e nonostante l'impegno del suo inventore, la macchina non venne mai completata. E, nel 1833, anche il governo inglese ne revocò i finanziamenti.
Tuttavia, Charles Babbage, con ferma determinazione, continuò i suoi studi nell'intento di progettare e realizzare una nuova macchina capace di compiere qualsiasi operazione aritmetica e per risolvere in linea di principio ogni problema aritmetico mentalmente concepibile. Ideò cosi una seconda macchina molto più complessa: la “Macchina Analitica” basata su un programma a schede perforate. Lì, si potevano già riconoscere le parti fondamentali di un calcolatore moderno.
Operation:
According to Babbage's design, the Analytical machine was supposed to consist of four fundamental sections:
Un'arithmetic unit, che è l'organo che esegue le singole operazioni chiamata “mill” o mulino.
The central memory where the data resided called "store" or warehouse.
The input section composed of a card reader, inspired by those of Jacquard frames.
The output section for printing outgoing data.
La memoria per i numeri in ingresso e per i risultati intermedi sarebbe costituita da diverse colonne composte da ruote dentate che avevano dieci posizioni, corrispondenti alle dieci cifre decimali. I dati venivano trasferiti dalla memoria centrale all'unità aritmetica dove era possibile eseguire una delle quattro operazioni aritmetiche con un procedimento meccanico. In ogni istruzione elementare il numero memorizzato su una colonna poteva essere combinato secondo una delle quattro operazioni con quello di un'altra colonna e il risultato collocato su una terza colonna. Un programma era quindi costituito da una sequenza di istruzioni elementari che specificavano le operazioni aritmetiche da svolgere sui dati iniziali o parziali. Tutto il processo di calcolo, o meglio il programma, doveva essere codificato tramite i fori opportunamente predisposti sulle schede perforate. Quest'ultime erano suddivise da Babbage in:
Card Number: where the holes represented the different digits of a number.
Variable Card: where the memory cells (i.e. a given column of wheels) were specified from which to take a numerical data to be processed or deposited after processing it.
Operation Card: where instructions for operating on the data were specified.
L'architettura del calcolatore di Babbage quindi è paragonabile a quella dei calcolatori odierni. Infatti vi ritroviamo l'unità di calcolo o unità aritmetica CPU (Mulino), l'unità di memoria centrale (Magazzino) e le unità di ingresso e uscita (schede perforate e dispositivo di stampa) concettualmente simili ai moderni dispositivi di Input/Output (tastiere e stampanti).
Essendo un meccanismo molto complesso, Babbage realizzò solo poche parti della macchina analitica. Successivamente, abbandonò il progetto per mancanza di fondi. Oltre alle poche parti costruite ci è stata tramandata anche una descrizione dettagliata ad opera di un'italiano, il conte Federico Luigi Menabrea.
Avvenne che Menabrea, scienziato, esperto in ingegneria matematica nonché membro dell'accademia delle scienze di Torino, nel 1840 ascoltò una serie di conferenze tenute da Babbage nella città piemontese allo scopo di illustrare i suoi progetti e propagare negli ambienti scientifici ed ingegneristici l'interesse per le macchine calcolatrici.
Luigi Menabrea was fascinated by Babbage's ideas and intentions. He collected, studied and reconstructed the ideas he heard. Two years later he published a report in French, "Notion sur la machine analytique de Charles Babbage" which is the best technical description we have left of the analytical machine.
The text a few months later was resumed to be translated into English and greatly expanded by Ada Augusta Lovelace (daughter of Lord Bairon), a talented collaborator of Babbage. According to the beautiful image given by Lady Lovelace, as the Jacquard loom weaves flowers and leaves, so Babbage proposed to weave algebraic designs to the analytical machine.
Si dice che lei stessa propose un “programma” per il calcolo dei numeri di Bernoulli con la macchina di Babbage. Ciò le valse il titolo di primo programmatore della storia del computer. Uno dei più recenti linguaggi di programmazione si chiama Ada, in onore di Lady Lovelace. Quale fu dunque l'intuizione che rese celebre Babbage?
L'idea rivoluzionaria fu di concepire nella metà dell'800 lo schema logico e funzionale applicato, più di 100 anni dopo, ai calcolatori elettronici e di prevedere per la prima volta l'impiego delle schede perforate. Solo nel 1975, i floppy disk rimpiazzarono le schede perforate. La macchina analitica rappresenta dunque per l'800 il culmine dell'intuizione dell'uomo nel campo delle macchine calcolatrici.
Herman Hollerith, the history of the computer
Se Charles Babbage fu l'ispiratore degli attuali calcolatori elettronici, Herman Hollerith fu l'inventore delle macchine meccanografiche tradizionali. Nella storia del computer, questi due uomini iniziano la tecnica dell'elaborazione dei dati.
Già nell'Ottocento, gli Stati Uniti d'America effettuavano il censimento della popolazione in modo serio e meticoloso. L'elaborazione dei dati però richiedeva così tanto tempo che spesso si doveva iniziare un nuovo censimento senza che fosse terminato l'esame di quello precedente.
Fu così che il governo americano, per il censimento del 1890, promosse delle ricerche per trovare un sistema per l'elaborazione automatica dei dati raccolti. L'idea migliore l'ebbe l'ingegnere statistico Herman Hollerith che aveva elaborato una tabulatrice, non per specificare il programma, ma i dati da elaborare.
Non riutilizzò l'idea di Babbage, ma ebbe l'intuizione osservando un bigliettaio che perforava con la sua macchinetta i biglietti ferroviari. Ogni scheda perforata riportava i dati forniti da ogni singolo individuo o nucleo famigliare. Ogni foro rappresentava infatti una precisa risposta a una domanda del questionario per il censimento. Ad esempio, il sesso maschile o femminile di un individuo era rappresentato rispettivamente con un foro oppure con l’assenza del foro.
The latter could only be opened or closed and it was therefore logical to relate them to the digits of the binary system 1 or 0. Electromagnetic machines, designed by himself, were able to read these cards.
Operation:
E' interessante descrivere come funzionavano queste macchine “lettrici di schede”. In particolare, una scheda era divisa in 288 zone che rappresentavano i dati anagrafici.
Per decodificare queste informazioni, si sovrapponeva, in ogni scheda, un apparecchio con una batteria di aghi retrattili. In assenza di perforazione, il cartoncino fermava l'ago. Altrimenti, l'ago finiva in una vaschetta piena di mercurio, chiudendo il circuito (il mercurio è infatti un buon conduttore di elettricità).
La corrente passava in un filo, azionando un relè, che faceva avanzare di uno scatto uno dei 40 contatori (i contatori permettevano di sommare i dati delle varie categorie). A fianco del dispositivo di lettura e conteggio, l'operatore aveva a disposizione una cassettiera, chiamata “incolonnatrice”. Un foro sulla scheda chiudeva un determinato contatto, comandando automaticamente gli sportelli della cassettiera.
L'operatore, infilando la scheda elaborata nello sportello aperto automaticamente dal dispositivo, raggruppava così le schede in modo omogeneo. Era la prima volta che, nel calcolo, si faceva uso dell'elettricità.
Una nota curiosa è il formato delle schede: avevano la stessa forma di una banconota da un dollaro di allora, per agevolare i depositi. L'angolo superiore era tagliato in diagonale. La principale ragione dell'angolo tagliato era evitare che la scheda potesse essere inserita al contrario. Se la scheda veniva inserita nel lettore in modo errato andava a colpire una levetta. Questa attivava un micro interruttore e fermava la macchina finché l'operatore non ruotava la scheda correttamente, come previsto dal sistema.
Il dispositivo ebbe un enorme successo; era possibile esaminare fino a 800 schede al minuto (una velocità favolosa per quei tempi e impossibile agli uomini) e il risultato fu strabiliante perché si riuscì ad elaborare, in pochi mesi, tutti i dati di 62 milioni di americani, facendo risparmiare al governo ben 5 milioni di dollari rispetto al precedente censimento del 1880 la cui elaborazione durò 7 anni. Hollerith, nel 1896 fondò la sua azienda: La “Tabulating Machine Company”, una delle colonne su cui sarebbe sorta, dopo 28 anni, la più importante e famosa delle aziende informatiche: La International Business Machine; l'IBM.
This is the first part of the documentary on the history of the computer, created by Davide Fornasiero of HistoryBit.