Prof.: João Bosco Estevam
Organização e Arquitetura de Computadores
Introdução (Parte II)
Evolução dos Computadores (Informações Adicionais)
Org. e Arq. de Computadores I
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Gera Geraç ção Zero ão Zero
Computadores Mecânicos (-1642-1945)
A Primeira Gera A Primeira Geraç ção ão
Válvulas (1945-1955)
A Segunda Gera A Segunda Geraç ção ão
Transistores (1955-1965)
A Terceira Gera A Terceira Geraç ção ão
Circuitos Integrados (1965-1980)
A Quarta Gera A Quarta Geraç ção ão
Integração de Circuitos em Escala Muito Alta (1980-?)
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Geraç Gera ç ão Zero ão Zero
Computadores Mecânicos (1642
Computadores Mecânicos (1642- -1945) 1945)
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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1642 1642 - - Primeiro instrumento moderno de calcular – uma somadora (Má (M áquina de Pascal) quina de Pascal) – – construído por Blaise
Blaise Pascal (físico, matemático e filósofo francês, Pascal 1623-1662).
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
Dispositivo inteiramente mecânico, usava várias engrenagens, acionado por uma alavanca.
Pascal construiu a máquina com 19 anos.
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1671 - Gottfried Wilhelm Leibnitz (filósofo e um dos 1671 formuladores do cálculo integral, 1646-1716)
projetou a primeira m primeira má áquina de multiplica quina de multiplicaç ção e ão e divisão
divisão, além de soma e subtração.
Equivalente às calculadoras de bolso que efetuam as quatro operações.
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1822 - Charles Babbage (matemático, 1792-1871) 1822 inventa a Máquina Diferencial, utilizando os cartões de Jacquard. Funções trigonométricas e logaritmos eram calculados na máquina.
Outra invenção - Velocímetro.
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Má M áquina Diferencial quina Diferencial
Idealizada para construir tabelas de n Idealizada para construir tabelas de nú úmeros para meros para navega
navegaç ção naval. ão naval.
Constru Construí ída para executar um da para executar um ú único algoritmo nico algoritmo – – m
mé étodo das diferen todo das diferenç ças finitas usando polinômios. as finitas usando polinômios.
M Mé étodo para disponibilizar informa todo para disponibilizar informaç ções na sa ões na saí ída da – – resultados perfurados em um prato de cobre.
resultados perfurados em um prato de cobre.
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1834 1834 – Babbage inventou a precursora dos
computadores digitais de hoje, a M Má áquina Anal quina Analí ítica tica.
Usava a base 10, máquina “mecânica”, trabalhava a vapor.
Programação seqüencial de operações, um procedimento que hoje chamamos de sistema operacional.
Por seu trabalho na máquina analítica, Babbage é considerado um dos pioneiros dos computadores.
Evolução dos Computadores – Breve Histórico
As máquinas de Babbage nunca foram construídas…
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Má M áquina Anal quina Analí ítica de Babbage tica de Babbage - - Anteviu os passos que até hoje são a base do funcionamento de um
computador, possuindo 4 componentes:
Unidade de entrada - alimentação de dados, através de cartões perfurados;
Unidade de saída – saída impressa e perfurada em cartões;
Unidade de memória – 1000 palavras de 50 dígitos DECIMAIS, capaz de armazenar variáveis e resultados.
Unidade de computação – aceitava operandos da memória, operações – soma, subtração, multiplicação e divisão (somava dois desses números em 1 s) e
enviava o resultado para a memória.
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Termos originais dos 4 componentes: store, mill, input section e output section.
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M Má á quina Analí quina Anal ítica tica - - program programá ável em vel em linguagem de montagem simples linguagem de montagem simples ⇒ ⇒ software.
software.
Ada Byron King Ada Byron King (Matemática), compreendeu o funcionamento da Máquina Analítica e escreveu os melhores relatos sobre o processo.
Companheira de Babbage, iniciou o ambicioso projeto de construção da Máquina Analítica.
Criou programas para a máquina - primeira
primeira programadora programadora de de computador
computador. É uma das poucas mulheres a figurar na história do processamento de dados.
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A máquina de Babbage não foi construída:
a tecnologia da época era incapaz de fornecer a precisão necessária.
Babbage não dispunha de recursos para financiá-la, nem encontrou investidores dispostos a ir além de algumas doações.
Seus projetos e idéias foram a base para outros projetos anos adiante.
Em 1991, o Science Museum de Londres desenvolveu o Engenho Diferencial utilizando os planos de Babbage e funcionou perfeitamente.
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Concepção dos fundamentos lógicos para a criação de programas: lógica matemática/álgebra booleana (matemático George Boole, Inglaterra, 1854)
Estabelecimento de uma forma de armazenamento e processamento de dados utilizando relações binárias:
As leis do pensamento (matemático George Boole, Inglaterra, 1854)
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Dé D écada de 1930 cada de 1930
Tentativas de substituir as partes mecânicas dos computadores por partes elétricas.
O uso de rel relé és s era uma forma de fazer essas substituições, mas o alto custo, tamanho físico e baixo desempenho eram as desvantagens desses tipos de máquinas.
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D Dé écada de 1930 cada de 1930 – Konrad Zuse (alemão) construiu uma série de máquinas de calcular automáticas usando relés eletromecânicos.
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Outros projetistas de máquinas de calcular:
John Atanasoff e George Stibbitz (Estados Unidos)
Máquina de John Atanasoff
Usava aritmética binária e tinha capacitores para armazenar informação (necessidade de recarga periódica – mesmo princípio da memória DRAM).
Nunca funcionou efetivamente.
Máquina de George Stibbitz
Mais rudimentar e funcionou plenamente.
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Caracterí Caracter ísticas do sticas do Mark Mark I I
18 metros de comprimento
2 metros de largura
Peso - 70 toneladas.
7 milhões de peças móveis
Fiação alcançava 800 Km.
Tinha 72 palavras de 23 dígitos decimais
Tempo de execução de uma instrução – 6 segundos.
♦ ♦ 1944 - Mark I (Howard Aiken) - primeiro 1944 computador eletromecânico construído.
Construção do Mark II (Sucessor do Mark I) – Computadores a relé já estavam obsoletos.
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Primeira Gera Primeira Geraç ção ão
Vá V álvulas (1945 lvulas (1945- -1955) 1955)
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• O tubo de vidro na ilustração possui um terminal positivo e um negativo (o cátodo e o ânodo) separados por uma grade de fios.
•
• Os elOs elé étrons do c trons do cá átodo são atra todo são atraí ídos pelo dos pelo
ânodo e fazem uma corrente de elânodo e fazem uma corrente de elé étrons trons
passar atravpassar atravé és da v s da vá álvula. lvula.
• O fluxo natural dos elétrons negativos para o terminal positivo é intensificado de duas maneiras: o cátodo se aquece até a incandescência e sua superfície é tratada com um produto químico especial.
• A grade de controle está situada entre o cátodo e o ânodo e geralmente não interfere no movimento dos elétrons. Mas, quando uma carga negativa é aplicada à grade, os elétrons são repelidos e não atingem o ânodo.
• A força repulsora da grade supera a força de atração do ânodo e o fluxo dos elétrons cessa. A corrente é interrompida e o interruptor se desliga.
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Computadores Eletrônicos
Principal estímulo – Segunda Guerra Mundial.
Enigma Enigma
“
“O orgulho alemão O orgulho alemão” ” 1932
1932 - - Marian Rejewski Marian Rejewski Codebreaker
Codebreaker polonês polonês desvenda
desvenda o segredo o segredo dos dos rotores
rotores. . 1939
1939 – – Ingleses Ingleses aprendem aprendem a a decodificar
decodificar as mensagens as mensagens. . Problema
Problema – – dificuldade dificuldade de de decodifica
decodificaç ção ão. .
Soluç Solu ção ão - - COLOSSUS COLOSSUS
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Colossus (Alan Turing (Alan Turing, , operacional em 1943) operacional em 1943)
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Histórico
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Colossus Colossus
Considerado o primeiro computador eletrônico digital Considerado o primeiro computador eletrônico digital constru
construí ído no mundo. do no mundo.
Caracter Caracterí ísticas: sticas:
Desenvolvido com a tecnologia de vá Desenvolvido com a tecnologia de v álvulas. lvulas.
Capaz de processar cerca de 5 mil caracteres por Capaz de processar cerca de 5 mil caracteres por segundo.
segundo.
Capaz de quebrar o có Capaz de quebrar o c ódigo da segunda gera digo da segunda geraç ção de ão de má m áquinas ENIGMA. quinas ENIGMA.
No final da guerra, dez Colossus No final da guerra, dez Colossus em opera em operaç ção ão constante permitiam que os ingleses soubessem constante permitiam que os ingleses soubessem melhor que o comando alemão onde se encontravam melhor que o comando alemão onde se encontravam seus submarinos.
seus submarinos.
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Outra conseqü Outra conseq üência da guerra ência da guerra
Cientistas americanos trabalham no desenvolvimento de máquinas de computação.
Objetivo – calcular tabelas de direção de tiro para Objetivo auxiliar na pontaria da artilharia americana.
Soluç Solu ção ão – ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And ENIAC Computer)
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ENIAC
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Caracter
Caracterí ísticas do ENIAC sticas do ENIAC (A ú (A última grande calculadora) ltima grande calculadora)
3 anos para ser construído
Possuía:
18.000 válvulas (aproximadamente)
70.000 resistências,
10.000 capacitores,
1.500 relés
6.000 comutadores manuais.
500.000 conexões de solda
30 toneladas de peso
5,5 m de altura
25 m de comprimento
150 m² de área
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Caracter
Caracterí ísticas do ENIAC sticas do ENIAC (A (A ú última grande calculadora) ltima grande calculadora)
Acionamento: Acionamento: motor equivalente a dois potentes motores de carros de quatro cilindros, enquanto um enorme ventilador refrigerava o calor produzido pelas válvulas.
Consumo: Consumo: 150 kW ao produzir o calor equivalente a 50 aquecedores domésticos.
Arquitetura do ENIAC Arquitetura do ENIAC: composta de 20 registradores (cada um capaz de armazenar um número decimal de 10 dígitos)
Programa Programaç ção ão: através de fios e pinos (como painel telefônico, usando 6.000 chaves)
Executava 5000 adições/subtrações ou 300 multiplicações por segundo
Para programar demorava 1 ou 2 dias
Grande limita Grande limitaç ção ão: capacidade de armazenamento.
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Conclusão do ENIAC (1946) – inútil para os propósitos Conclusão do ENIAC originais.
Sucessoras: EDSAC (1949), JOHNIAC, ILLIAC, Sucessoras MANIAC, WEIZAC.
Outra invenç Outra inven ção do construtores do ENIAC ão do construtores do ENIAC (Eckert e Mauchley) – EDVAC (Electronic Discret Variable EDVAC Automatic Computer).
John von John von Neumann – versão própria do EDVAC – Neumann Má M áquina IAS quina IAS.
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30 June June 1945 – 1945 John
John von von Neuman Neuman (consultor do projeto ENIAC)
Criou o conceito de“programa armazenado programa armazenado”
Criou o conceito de opera operaç ções com n ões com nú úmero bin mero biná ário rio
Desenvolveu a l ló ógica dos circuitos gica dos circuitos
Denominação atual da máquina proposta – – M Má áquina de quina de Von Neumann
Von Neumann
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Má M áquina de Von Neumann quina de Von Neumann
Componentes bá Componentes b ásicos sicos
Mem Memó ória ria
Unidade Aritm Unidade Aritmé ética L tica Ló ógica gica
Unidade de controle Unidade de controle
Dispositivos de entrada/sa Dispositivos de entrada/saí ída da
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A m
A má áquina original de Von Neumann quina original de Von Neumann
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Caracter
Caracterí ísticas da M sticas da Má áquina de Von Neumann quina de Von Neumann
Aplicaç Aplica ção ão: Máquina IAS (Institute of Advanced Studies – Princeton)
Memó Mem ória ria
4.096 palavras de 40 bits
Cada palavra armazenava 2 instruções de 20 bits ou um número de inteiro com sinal de 40 bits
Instrução: 8 bits – tipo da instrução, 12 bits – especificar uma das 4096 palavras de memória.
Unidade aritmé Unidade aritm é tica ló tica l ógica gica
Registrador especial de 40 bits – acumulador
Não processava números reais
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MIT desenvolve o
MIT desenvolve o Whirlwind Whirlwind I I
Palavra de 16 bits.
Projetado para controle de processos em tempo real.
Projeto levou ao invento das memórias de núcleos magnéticos e ao primeiro minicomputador
comercial.
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IBM IBM
Início – produzir perfuradoras de cartão e máquinas mecânicas para separar cartões.
IBM 701 (2048 palavras de 36 bits, duas instruções por palavra.
IBM 704 – (4 K de memória, instruções de 36 bits, hardware para processamento de números em ponto flutuante.
1958 – 1958 – Produ Produç ção da ão da ú última m ltima má áquina a v quina a vá álvula lvula (IBM 709).
(IBM 709).
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1
ocomputador de grande porte da IBM
Usado na guerra da Coréia
IBM 701 IBM 701
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Segunda Gera Segunda Geraç ção ão
Transistores (1955 Transistores (1955- -1965) 1965)
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1948 1948 (Bell Labs.) - invenção do Transistor.
Usando elementos semicondutores, os transistores funcionam como funcionam como
chaveschaves, porém são menores, mais rápidos, não esquentam, duram mais e consomem menos energia que as válvulas.
O Prêmio Nobel de 1956 foi conferido à equipe cuja pesquisa levou à invenção do transistor.
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Transistor passou a ser um componente básico na Transistor construção de computadores e apresentava as seguintes vantagens:
aquecimento mínimo
Baixo consumo de energia
mais confiável e veloz do que as válvulas
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Primeiro Computador transistorizado (MIT) Primeiro Computador transistorizado (MIT)
TX- TX -0 0 (Transistorized eXperimental computer 0)
DEC DEC
PDP- PDP -1 1 (4 K palavras de 8 bits e clock com período de 5 µs, preço: 120.000 dólares).
PDP PDP- -8 8 (máquina de 12 bits, preço: 16.000 dólares, barramento único.
IBM (In IBM (Iní ício do dom cio do domí ínio) nio)
7090, 7094 (clock com período de 2 µs, memória de 32 7090, 7094 K palavras de 36 bits cada).
1401 (uso comercial). 1401
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PDP-1
Barramento Omnibus do PDP-8
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CDC ( CDC (Control Control Data Data Corporation Corporation) )
6600 (alta velocidade, conceito de processamento paralelo, hardware composto de um conjunto de pequenos processadores), denominação atual:
Supercomputadores Supercomputadores.
Sucessores do 6600: 7600 e Cray-1
Burroughs Burroughs B5000 B5000
Máquina construída com o objetivo de rodar programas escritos em Algol 60.
Fortalecimento do software Fortalecimento do software
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Terceira Gera Terceira Geraç ç ão ão
Circuitos Integrados (1965 Circuitos Integrados (1965- -1980) 1980)
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Histórico
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1958 - Jack Kilby 1958 (Texas Instruments) - construção do primeiro primeiro circuito integrado
circuito integrado, contendo cinco
componentes em uma peça de germânio com meia polegada de comprimento e fina como um palito de dente.
Evolução
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Características dos Circuitos Integrados
transistores e outros componentes eletrônicos miniaturizados montados em um único chip;
maior confiabilidade (não tem partes móveis);
muito menores (equipamento mais compacto e mais rápido pela proximidade dos circuitos);
baixo consumo de energia (miniaturização dos componentes)
custo de fabricação muito menor.
Primeiros CIs: 10 ou 20 transistores em um chip (SSI - Small-Scale Integration).
Final dos anos 60: de 20 a 200 transistores em um chip (MSI - Medium-Scale Integration). Final dos anos 70: até 5000 transistores em um chip (LSI - Large- Scale Integration).
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Fam Famí ília de M lia de Má áquinas quinas
Implementadas a partir de circuitos integrados, projetada para computação científica e/ou aplicações comercias
Mesma linguagem de montagem e com tamanhos variando dentro de um espectro de preço e
desempenho.
Exemplo: IBM IBM System System/360 /360
Multiprogramação, 16 registradores de 32 bits, espaço de endereçamento: 16 Mbytes.
Avanç Avan ço das ind o das indú ústrias dos minicomputadores strias dos minicomputadores
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1961: IBM 1961: IBM – – Fam
Famí ília IBM/360 lia IBM/360
transistorizados
sistema modular
mais poderosos e mais baratos
aceitavam uma grande variedade de periféricos
foram vendidas milhares de unidades no mundo todo dando à IBM a hegemonia absoluta
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Quarta Gera Quarta Geraç ção ão
Integra
Integraç çao ao de Circuitos em Escala Muito Alta de Circuitos em Escala Muito Alta (1980
(1980 - - ?) ?)
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Dé D écada de 1980 cada de 1980
VLSI (Very Large Scale Integration)
Diferença significativa: microcomputadores,
minicomputadores e computadores de grande porte.
Primeiros microcomputadores (microprocessador 8080)
Apple e Apple II
IBM entra no mercado de microcomputadores – PC da IBM (Sistema Operacional: MS-DOS)
O primeiro computador portátil (Osborne Osborne I). I
Estratégia equivocada da IBM – divulgação do projeto – surgimento de CLONES CLONES
IBM + Microsoft lan IBM + Microsoft lanç çam o sistema operacional OS/2 am o sistema operacional OS/2 – – fracasso
fracasso
Microsoft lan Microsoft lanç ça Windows (Crise da IBM). a Windows (Crise da IBM).
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Apple I
Apple II
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Osborne I
IBM PC
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Meados da D Meados da Dé écada de 1980 cada de 1980
Arquitetura RISC Arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) em substituição a Arquitetura CISC Arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computer)
Anos 1990 Anos 1990
Processadores Superescalares Processadores Superescalares (execução de várias instruções simultaneamente)
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Histórico
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2002 2002
O Pentium 4 é construído com uma tecnologia de 0,13 Pentium 4 micrômetros e possui 55 milhões de transistores.
O supercomputador japonês Earth Earth Simulator criado Simulator pela NEC para simular mudanças no clima do planeta possui 5104 processadores e ocupa uma área
equivalente a três três quadras de tênis. Seu desempenho esta em torno de 35 35 teraflops, realiza 35,86 trilhões de cálculos por segundo.
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"Simulador da Terra"
50"Simulador da Terra"
Pentium 4 Pentium 4
Evolução dos Computadores –Breve Histórico
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Evolução dos Computadores –Breve Histórico
2003 2003
AMD lança o processador Opteron
O Opteron é o primeiro processador para a arquitetura CISC capaz de trabalhar a 64 bits utilizando as instruções IA-32 (conhecidas também pelo nome x86).
• Possui transistores de 0,13 mícron, possuindo no total 100 milhões de transistores.
• Pode endereçar até 1 TeraByte de memória RAM.
• Suporta até 8 processadores na mesma
placa-mãe.
52 Tendências Tendências
Os grandes computadores caminham para o processamento paralelo.
O Futuro O Futuro
Computadores Computadores ó ópticos, Nanotecnologia, Computa pticos, Nanotecnologia, Computaç ção ão biol
bioló ógica, Armazenar bits no gica, Armazenar bits no spin
spindo á do átomo tomo?
Computador quântico Computador quântico.
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Histórico
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Tendências Tendências
“Em cinco décadas, o computador deixou de ser um sistema
"monstro" a pesar toneladas e a ocupar centenas de metros quadrados, sendo nos nossos dias, pequenos sistemas com uma capacidade de cálculo incomensuravelmente superior aos primeiros.
In Iní ício do s cio do sé éculo culo - os "computadores" não passavam de simples máquinas de calcular ou de ler cartões perfurados que eram construídas usando engrenagens e relês. A "energia" que fazia tudo funcionar era a própria força do operador, que precisava girar uma manivela a cada operação.
Final da d Final da dé écada de 50 cada de 50 - os computadores passaram a ser construídos usando transistores, que não eram lá tão menores que as válvulas usadas durante a década de 40, mas que já eram bem mais eficientes e confiáveis.
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Tendências Tendências
Uma d Uma dé écada depois cada depois - os transistores já eram bem menores e surgiu o circuito integrado. Depois surgiram os primeiros microprocessadores. A solução para construir computadores mais rápidos e mais baratos passou a ser produzir transistores cada vez menores.
Hoje, uns dos menores transistores (produzidos pela Intel) já medem apenas 0.02 m 0.02 mí ícron cron. Os processadores produzidos comercialmente ainda estão nos 0.13 mícron. Pode-se dar quase como certos, processadores de 15 ou 20 GHz, com 600 milhões de transistores até o final da década.
O que vir O que virá á depois dos super mainframes de 0.02 mí depois dos super mainframes de 0.02 m ícron? Quem cron? Quem sabe outros, agora de 0.01 m
sabe outros, agora de 0.01 mí ícron? Ou mesmo de 0.005 cron? Ou mesmo de 0.005 m
mí ícron, usando cron, usando nanotubos nanotubos? Alguns acreditam que eles sejam ? Alguns acreditam que eles sejam poss
possí íveis, mas vamos pensar um pouco mais adiante, quando veis, mas vamos pensar um pouco mais adiante, quando finalmente todos os fabricantes tiverem esgotado sua muni finalmente todos os fabricantes tiverem esgotado sua muniç ção ão transistorizada.
transistorizada. ”
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