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Breve storia del calcolo automatico negli Stati Uniti




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Breve storia del calcolo automatico negli Stati Uniti



Avviato da Pascal alla metà del Seicento, il programma di ricerca sulle macchine da calcolo conobbe un lungo periodo di stagnazione fino alla seconda metà dell'Ottocento, quando il calcolatore automatico meccanico inventato da Georg Scheutz, un tipografo svedese che si era ispirato al lavoro del matematico britannico Charles Babbage, fu importato negli Stati Uniti. Qui ebbe inizio una nuova era che, grazie alla supremazia tecnico-commerciale conquistata in breve tempo dall'industria americana, nel secolo successivo sarebbe culminata nella definizione dell'architettura del computer.

È stato calcolato che, fra il 1860 e il 1900, il Patent Office degli Stati Uniti abbia concesso non meno di 676000 brevetti, fra i quali vanno ricercate molte radici della futura leadership industriale e informatica americana. Di queste invenzioni, parecchie hanno per comune denominatore una spiccata vocazione pratica, volta a risolvere le enormi difficoltà con cui si misuravano ogni giorno i cittadini statunitensi della seconda metà del XIX secolo. Alcuni di questi problemi erano collegati alle attività produttive o di trasporto, altri riguardavano le comunicazioni, come per esempio il trasferimento di messaggi alle grandi distanze imposte da una nazione di dimensioni continentali. Non deve quindi stupire il fatto che Samuel F.B. Morse, prima della guerra con il Messico (1846-1848), mettesse a punto il telegrafo e riuscisse a convincere il Congresso a finanziare la posa dei cavi fra Washington e Baltimora: già nel 1856 la Western Union Company era in grado di utilizzare questa invenzione a fini commerciali e ben presto, insieme con altre società, cominciò a costruire la rete telegrafica americana. Nel 1876 Alexander Bell realizzò il telefono e, nel giro di pochi anni, non c'era ufficio americano che non avesse il suo apparecchio telefonico.

La pur notevole inventiva americana non differiva, in ultima analisi, da quella europea, di cui è più o meno consapevolmente erede; se qualcosa la caratterizzò fu l'immediatezza delle applicazioni pratiche dovuta certamente a motivi economici e politici, ma anche a quel pragmatismo anglosassone teorizzato proprio da un filosofo statunitense, Charles S. Peirce, il quale, per una strana coincidenza, fu anche il primo a notare l'isomorfismo tra circuiti elettrici e logica booleana, base dell'informatica come la conosciamo oggi.

La macchina di Scheutz sbarca in America

La 'preistoria' dell'informatica americana inizia con l'importazione di un calcolatore automatico meccanico costruito in Europa: la macchina tabulatrice di Scheutz. Le sue origini risalgono al 1834, quando il tipografo svedese Georg Scheutz lesse la descrizione della 'macchina delle differenze' di Charles Babbage pubblicata sulla 'Edinburgh Review' e pensò di realizzare un congegno simile, ma più semplice da costruire e più pratico da utilizzare. Diversamente da Babbage, Scheutz ebbe successo, costruì la macchina e riuscì anche a venderla: non a caso ciò avvenne negli Stati Uniti, un paese giovane e meno legato ai pregiudizi dell'establishment scientifico. Il primo acquirente fu infatti l'Osservatorio astronomico di Albany che, a partire dal 1858, la utilizzò per il calcolo delle effemeridi di Marte. Nel frattempo gli Stati Uniti stavano iniziando a liberarsi dalla dipendenza culturale nei confronti del Vecchio Continente per sviluppare i propri filoni di ricerca scientifica e tecnologica.

Le macchine calcolatrici: inventori e imprenditori

Una delle radici dell'informatica americana fu l'industria delle calcolatrici da tavolo, che vide proprio nel Nuovo Mondo una notevole evoluzione teorica e pratica. Fin dal 1860, lo sviluppo commerciale e industriale degli Stati della Costa orientale spinse le nascenti imprese a reclutare un numero sempre crescente di lavoratori. I flussi migratori assicuravano sì mano d'opera in abbondanza, ma si trattava generalmente di contadini poco più che analfabeti. Gli impiegati amministrativi e contabili si rivelarono ben presto insufficienti, e le macchine da scrivere e le calcolatrici aiutarono le imprese a risolvere la penuria di 'impiegati di concetto'. Nacque così il mercato delle macchine per ufficio, destinato a diventare sempre più redditizio. Si pensi che ancora nel 1909 la calcolatrice meccanica TIM (Time Is Money) veniva venduta a 10000 dollari (un'automobile Ford Modello T costava solo 850 dollari). Nonostante il prezzo elevato, le vendite raggiunsero centinaia di esemplari. Allo sviluppo dell'industria delle calcolatrici meccaniche contribuirono molti inventori e imprenditori lungimiranti quali Burroughs, Remington e Monroe, nomi che ritroveremo verso la metà del secolo associati allo sviluppo dei calcolatori elettronici.

Per la verità, le calcolatrici da tavolo comportarono solo scarse innovazioni tecnologiche e nessuna vera innovazione scientifica: i loro meccanismi erano fondamentalmente quelli ideati nel XVII secolo e il loro cuore restava quello della Pascalina e della ruota di Leibnitz. La grande differenza rispetto ai due secoli precedenti deve essere cercata piuttosto nella possibilità di produzione in serie, nella capacità commerciale dei produttori e, soprattutto, nell'esistenza di un mercato ricettivo. Queste macchine apportarono comunque due importanti contributi alla storia dei calcolatori: favorirono i successivi miglioramenti della tecnologia e permisero agli imprenditori del settore di dar vita a strutture commerciali solide, che si espansero prima nel mercato americano e poi in tutto il mondo. Il conseguente accumulo di capitale creò le premesse finanziarie che contribuirono a sviluppare la ricerca nel settore dei grandi calcolatori.

Problemi di censimento



Oltre alle imprese industriali e commerciali, fu anche lo sviluppo della democrazia a far crescere negli Stati Uniti uno straordinario 'fabbisogno' di calcolo. A questo proposito basta leggere la sezione 2 dell'articolo 1 della Costituzione americana: 'I Rappresentanti e le imposte dirette saranno suddivisi fra i vari Stati in base ai rispettivi numeri di liberi Cittadini'. La crescita della popolazione rendeva sempre più difficile il computo di questi dati: nel 1790 gli abitanti degli Stati Uniti erano meno di quattro milioni, ma nel 1840 erano già saliti a 17 milioni. Nel frattempo anche il ventaglio di informazioni raccolte diventava sempre più ampio (educazione scolastica, etnia, immigrazioni, lavoro, stato di salute) acuendo ulteriormente il problema. La crisi esplose col censimento del 1880, la cui elaborazione durò sette anni, arrivando quasi a sovrapporsi al successivo.

La soluzione doveva venire da un giovane ingegnere con interessi statistici, Herman Hollerith, che venne assunto nel 1879, appena ventenne, dal Bureau of Census degli Stati Uniti. Hollerith brevettò dapprima un tabulatore elettrico che registrava le caratteristiche di ciascun cittadino su un nastro di carta mediante opportune perforazioni. Lo stesso inventore seppe però riconoscere il limite più grave di questo sistema: una volta trasformati in perforazioni, i dati non erano più associabili alle informazioni originali. Hollerith ricorse allora a un semplice stratagemma, utilizzando schede invece di nastri (ogni scheda si riferiva a una sola rilevazione e riportava stampato il significato di ciascuna perforazione).

In origine la macchina di Hollerith era soltanto una selezionatrice, capace di smistare le schede perforate in diversi cassetti di raccolta, dando così all'operatore il modo di collocarle al posto giusto per il conteggio finale. La scheda si fermava sotto un pettine ad aghi metallici, l'ago che si trovava in corrispondenza di una perforazione la attraversava e penetrava in un pozzetto di mercurio chiudendo così un circuito elettrico. Ciò provocava l'apertura del relativo cassetto. Il modello successivo rese automatico anche il conteggio: lo stesso circuito elettrico faceva scattare un contatore elettromeccanico. Con questo sistema il conteggio dei dati per il censimento del 1890 richiese solo sei settimane: il 16 agosto dello stesso anno il Governo comunicava che la popolazione degli Stati Uniti aveva raggiunto la cifra di 66 622 250 abitanti. Il brevetto di Hollerith divenne popolare e negli anni seguenti fu utilizzato per i censimenti dell'Impero austro-ungarico, del Canada, del Regno d'Italia e dell'Impero russo. Gli Stati Uniti cominciavano a esportare tecnologia avanzata!

Come già accennato, il tabulatore di Hollerith non era né una calcolatrice né un computer; lo si può piuttosto definire l'insieme di una selezionatrice e di un contatore. La sua nascita rappresenta comunque una tappa molto significativa nella storia delle macchine da calcolo per almeno due motivi. In senso tecnico si trattava del primo dispositivo che sfruttasse l'elettricità per trasferire informazioni numeriche dalla scheda al contatore. Dal punto di vista commerciale, il successo dell'idea portò Hollerith a fondare nel 1896 la Tabulating Machines Company, che diverrà nel 1924 la International Business Machines (IBM), oggi sinonimo di computer.

Inizia una nuova era: Stibitz e Aiken

Oltre alle calcolatrici da tavolo e ai sistemi meccanografici di Hollerith, qualcosa di completamente nuovo si stava muovendo in altri ambienti. Il calcolo scientifico e quello statistico rendevano vitale la disponibilità di sistemi non solo veloci, ma capaci di effettuare in modo automatico lunghe sequenze di operazioni aritmetiche. L'obiettivo di Leibnitz e di Babbage di liberare l'uomo dalla schiavitù di questa noiosa operazione trovò terreno fertile nei bisogni pratici di nuove scienze come l'aeronautica, la fisica nucleare e l'elettronica, il cui sviluppo era incompatibile con i tempi lunghi richiesti dal calcolo manuale. Si trattava di superare la logica delle quattro operazioni, un obiettivo per il quale le calcolatrici di Burroughs e le tabulatrici di Hollerith non bastavano più. Servivano meccanismi capaci di svolgere varie operazioni in una sequenza programmabile e nei quali l'algoritmo potesse svilupparsi automaticamente in base ai risultati parziali.

Fu un ricercatore della Bell Telephone, George Stibitz, a dare un contributo in questa direzione. Nel 1937 egli costruì il suo primo addizionatore elettromeccanico nella cucina di casa, chiamandolo Modello K (da kitchen) e utilizzando, pare, relè di scarto, lampadine elettriche e scatole di latta. L'anno successivo la Bell Telephone lo incaricò di realizzare un calcolatore a relè per calcoli aritmetici su numeri complessi. La macchina di Stibitz (Complex Number Calculator, poi chiamata Model I Relay Calculator), fu terminata nel 1940 ed era costituita da 3000 relè connessi da 800 chilometri di collegamenti elettrici. Il programma di calcolo veniva letto da un nastro di carta perforato; l'inserimento dei dati avveniva tramite tastiera o schede perforate e su queste ultime venivano codificati anche i risultati finali. Il Model I presentava alcune importanti innovazioni: utilizzava il codice binario e poteva effettuare un 'salto condizionato', passando da un programma a un altro a seconda dei risultati delle operazioni precedenti. Infine, era possibile controllarlo a distanza con tre diversi terminali situati in vari ambienti dell'edificio in cui era collocato. Nel settembre 1940 fu tentato il primo collegamento telematico della storia comandando il Model I, che si trovava a Manhattan, dalla sede del Dartmouth College di Hanover (a 360 chilometri di distanza) con una telescrivente. L'esperimento fece grande impressione: il risultato del calcolo ritornò in meno di un minuto!

Negli stessi anni un'altra promettente ricerca si svolgeva presso la Harvard University. Qui il matematico Howard Aiken progettò un calcolatore di uso generale, capace di affrontare un qualunque problema matematico grazie a una opportuna programmazione. Dopo un rifiuto da parte della Monroe, Aiken ottenne l'appoggio di Thomas Watson, Sr., direttore generale della IBM, e all'inizio del 1943 terminò l'Automatic Sequence-Controlled Calculator Mark I (ASCC, poi noto come Harvard Mark I).




La macchina era lunga 20 metri, pesava 5 tonnellate ed era costituita da 750.000 componenti elettromeccanici. La memoria aveva la capacità di 72 numeri binari di 23 cifre più il segno (oggi diremmo 72 parole di 24 bit): Harvard Mark I era in grado di sommare due di questi numeri in 0,3 secondi e di moltiplicarli in 3 secondi. L'ingresso e l'uscita potevano avvenire con schede perforate, nastri perforati o telescrivente. A differenza della macchina di Stibitz, non poteva però effettuare salti condizionati. È interessante notare che le macchine di Stibitz e Aiken furono di poco posteriori, anche se sviluppate indipendentemente, a quelle tedesche di Konrad Zuse. Queste ultime avevano un'architettura più razionale ed erano basate su princìpi teorici più rigorosi; ma Zuse non poteva contare su colossi industriali come Bell e IBM.

L'ABC di Atanasoff: inizia l'era elettronica

L'evoluzione del calcolatore moderno, come accadde per molte altre invenzioni, non seguì un percorso lineare; le vie intraprese da Stibitz e Aiken si rivelarono presto 'rami secchi' poiché non uscivano completamente dalla logica delle calcolatrici ed erano limitate dalla scarsa velocità e affidabilità dei dispositivi elettromeccanici. Occorrevano ancora due passi importanti: uno tecnico, ossia la realizzazione di un sistema completamente elettronico, e uno teorico, ovvero la razionalizzazione dell'architettura di un vero calcolatore programmabile a uso generale. Furono Vincent Atanasoff e il suo allievo Clifford Berry a sviluppare il primo piccolo calcolatore elettronico binario. Il 'cuore' dell'Atanasoff Berry Computer (ABC) era costituito da singoli moduli capaci di effettuare addizioni o sottrazioni su numeri binari e, per ottenere una maggiore velocità di calcolo, i due progettisti scelsero valvole termoioniche al posto dei relè. Volendo realizzare una memoria altrettanto veloce per immagazzinare i risultati parziali delle operazioni, essi decisero di impiegare condensatori che memorizzavano uno 0 se scarichi e un 1 se carichi. L'ingresso e l'uscita si avvalevano delle ormai affermate schede perforate di fabbricazione IBM.

L'ABC fu costruito nei laboratori dell'Università dello Iowa tra il 1939 e il 1942. Purtroppo la seconda guerra mondiale coinvolse ben presto gli Stati Uniti, e le risorse del paese dovettero essere concentrate sullo sforzo bellico. I due inventori furono richiamati in servizio militare e la loro macchina fu prima dimenticata e poi addirittura smantellata. Di Atanasoff e dell'ABC si perse memoria fino al 1973, quando, per un problema legale di brevetti, la priorità dell'invenzione venne pubblicamente riconosciuta.

ENIAC: un gigante sgraziato, ma funzionante

Al di là della priorità nell'uso delle valvole, l'ABC restava solo un piccolo prototipo destinato a svolgere un compito particolare: la soluzione di sistemi di equazioni lineari. La realizzazione del primo grande sistema elettronico adattabile ai più svariati problemi matematici si ebbe con ENIAC. Nel 1938 John Mauchly, un giovane fisico che si occupava di meteorologia al Carnegie Institute di Washington, pensò di progettare un calcolatore per rendere più veloci i calcoli statistici che il suo lavoro richiedeva. Mauchly, come già aveva fatto Atanasoff, si orientò verso la commutazione elettronica, costruendo un calcolatore che chiamò 'analizzatore armonico' e che presentò al congresso annuale dell'American Association for the Advancement of Science nel 1940. Nello stesso anno egli fu assunto come docente alla Moore School di Filadelfia dove incontrò un giovane ingegnere, J. Presper Eckert; dalla loro collaborazione nacque un rapporto intitolato The Use of Vacuum Tube Device in Calculating, che riscosse immediatamente l'interesse del capitano Herman H. Goldstine del Poligono militare di Aberdeen. In quel periodo, uno dei problemi più pressanti per le forze armate americane era costituito dalle tabelle di tiro per l'artiglieria, il cui calcolo si basa sulla soluzione di equazioni differenziali lineari. Tali operazioni potevano essere svolte da operatori umani (chiamati allora computer) con la sola assistenza di calcolatrici da tavolo, oppure utilizzando una macchina analogica: l'analizzatore differenziale di Vannevar Bush. Con quest'ultimo era possibile compilare una tabella in soli 15 minuti, contro le 20 ore che erano necessarie a un operatore umano, ma di questa macchina esistevano soltanto due esemplari. Si era all'indomani di Pearl Harbor, l'esigenza di aumentare la produzione di tabelle di tiro era diventata pressante e Goldstine, intelligentemente, vide nel rapporto di Eckert e Mauchly l'embrione di un progetto potenzialmente risolutivo. Nell'aprile del 1942 Goldstine propose allo Stato maggiore dell'esercito di realizzare un 'analizzatore differenziale elettronico'. La proposta fu accettata, i lavori proseguirono rapidamente e, nel maggio 1944, fu possibile dimostrare la funzionalità del primo nucleo di ENIAC (Electronic Numeric Integrator And Calculator, come fu infine chiamato) facendo sommare alla macchina il numero 5 per 1000 volte. L'anno successivo ENIAC fu completato. Era un 'mostro' pesante 30 tonnellate, che occupava una superficie di 200 metri quadrati  e le cui 17.000 valvole dissipavano 150.000 watt di potenza. Oggi le prestazioni di ENIAC sembrerebbero ridicole: la memoria interna era di soli 20 numeri di 10 cifre e la velocità era di circa 200 microsecondi per una addizione, 2800 per una moltiplicazione e 24.000 per una divisione. Si trattava comunque di velocità da 100 a 1000 volte superiori a quella di qualunque calcolatore elettromeccanico allora esistente. Una tabella di tiro poteva essere elaborata in soli 30 secondi.

ENIAC venne presentato alla stampa il 14 febbraio 1946 e il suo vernissage fece molto scalpore: le lampade al neon che indicavano lo stato delle unità di calcolo erano state ricoperte con mezze palline da ping pong per stupire i giornalisti con le loro luci. Il termine 'cervello elettronico' e molte immagini della cinematografia di fantascienza degli anni successivi deriveranno da ENIAC. Durante lo scorso anno si sono svolte numerose celebrazioni per il suo cinquantenario. In realtà ENIAC era nato già vecchio: le sue unità di calcolo erano decimali e non binarie; la programmazione veniva effettuata a mano, mediante complesse connessioni di cavi elettrici; la memoria era molto ridotta. Solo il clima bellico e la facilità tutta americana di gestire progetti giganteschi, ma non eleganti, lo resero possibile. Il termine 'forza bruta' descrive sinteticamente la filosofia del progetto di ENIAC, la stessa su cui era basato l'intero sforzo bellico statunitense. ENIAC non fece in tempo a partecipare alla guerra e a svolgere i compiti per i quali era stato costruito. Fu comunque il primo calcolatore elettronico programmabile di uso generale ed ebbe una sua attività postbellica: trasportato ad Aberdeen, fu ripetutamente modificato, dotato delle più recenti memorie a nuclei magnetici e parzialmente riprogettato per eliminare la necessità di spostare i collegamenti. Nel corso della sua vita ENIAC venne utilizzato per svariatissimi tipi di calcolo: dagli studi sui raggi cosmici alla statistica, dall'aerodinamica al progetto della bomba H. Fu spento definitivamente alle 11.45 del 2 ottobre 1955.



Von Neumann, le basi teoriche americane e il problema della memoria

Nel periodo che va dal 1930 al 1950, oltre ai tentativi industriali e a quelli di inventori isolati, comparvero negli Stati Uniti diverse scuole che gettarono le basi teoriche dei futuri computer. È difficile fare una scelta tra i molti importanti contributi di quegli anni: a costo di incompletezza, ricorderemo solamente il nome di John von Neumann. Von Neumann, titolare di una cattedra di matematica all'Institute for Advanced Study di Princeton, era già celebre per i suoi studi di logica simbolica, teoria degli insiemi e meccanica quantistica. Nel periodo che precedette la guerra von Neumann ebbe come studente Alan Turing, ma tra i due non è documentato alcuno scambio di idee sull'architettura dei calcolatori. Von Neumann fu consulente del Governo statunitense in moltissimi progetti per la Difesa, come il Progetto Manhattan, l'ultima grande realizzazione tecnica effettuata senza l'ausilio dei calcolatori. In questa posizione conobbe sicuramente Aiken e Stibitz, assistette alla realizzazione di ENIAC e iniziò a collaborare con il gruppo di Filadelfia.

Il suo contributo fu sostanziale, non già per ENIAC che era prossimo al completamento, ma per la successiva generazione di calcolatori. Nel 1945, infatti, egli scrisse First Draft of a Report on the EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) che resta ancora oggi la base della cosiddetta 'architettura di von Neumann' o del programma memorizzato (stored program). Egli si rese subito conto che l'architettura di ENIAC era ridondante e poco razionale. Per costruire un vero calcolatore elettronico programmabile occorreva che il programma non fosse rigidamente predisposto nell'hardware, e neppure letto sequenzialmente da nastri perforati, ma risiedesse in una memoria ad accesso veloce, assieme ai dati da elaborare e alle costanti. Altro presupposto importante era che la macchina fosse binaria, e non decimale come ENIAC. Per sviluppare l'architettura di von Neumann occorreva quindi trovare memorie poco costose e affidabili in cui immagazzinare sia i dati sia le istruzioni di programma. Negli Stati Uniti la vera realizzazione di questa architettura si avrà solo dopo il 1950 con Whirlwind, il primo computer operante in tempo reale, nato come simulatore di volo, ma poi diventato il 'cervello' del primo sistema computerizzato di difesa radar degli Stati Uniti, il SAGE (Semi-Automatic Grounding Environment). Whirlwind fu anche il primo computer con interfaccia video interattiva.

UNIVAC e l'inizio dei calcolatori commerciali

Ormai i tempi erano maturi perché il calcolatore uscisse dall'ambito militare; la guerra era finita e gli sforzi industriali americani dovevano trovare uno sbocco sul mercato civile. L'affermazione dello stesso von Neumann che sei computer sarebbero bastati per tutti gli Stati Uniti verrà clamorosamente smentita già durante i primi anni cinquanta! Mauchly ed Eckert, lasciata la Moore School, fondarono la Eckert-Mauchly Computer Company (che verrà poi assorbita dalla Remington-Rand, oggi Unisys) e cominciarono a lavorare all'ambizioso progetto di un calcolatore elettronico per uso civile: l'UNIVAC (Universal Automatic Computer). Il primo UNIVAC fu terminato nel 1951 e prodotto in sette esemplari, i primi quattro dei quali saranno acquistati dal 'solito' Bureau of Census. Tra i primi acquirenti privati vi fu la General Electric Company, che lo utilizzerà per la contabilità e le paghe dei dipendenti. Inizia qui la storia moderna, tutta americana, dell'informatica; agli usi militari e scientifici si erano ormai affiancati quelli commerciali. Ciò provocò lo sviluppo di imperi industriali quali IBM, Sperry Rand, Digital, Honeywell e la comparsa di nuovi, agguerriti imprenditori. L'emulazione divenne presto sfrenata concorrenza: il computer era ormai un 'prodotto da vendere'. Nel Vecchio Continente solo l'Inghilterra era riuscita a tenere il passo con gli Stati Uniti, sia sul piano teorico sia su quello pratico; i calcolatori britannici a programma memorizzato, Manchester Mark I (1948) ed EDSAC (1949) precedettero di poco gli equivalenti americani. J. Lyons & Co, importatore di tè e gestore di una catena di ristoranti, mise a punto nel 1949 un calcolatore a valvole per la propria contabilità, battezzandolo LEO (Lyon's Electronic Office) e anticipando così UNIVAC di ben due anni.

Diversi fattori contribuirono a far sì che l'iniziativa europea si esaurisse prematuramente: le distruzioni provocate dalla guerra imponevano altre priorità. La progettazione e la fabbricazione di computer, pur possibile, non avrebbe poi trovato sul mercato europeo potenziali acquirenti, né pubblici né privati. La rinascita dell'informatica europea avverrà negli anni sessanta, ma ormai 10 anni erano andati irrimediabilmente perduti. Un'industria informatica vedrà la luce anche al di qua dell'Atlantico (Bull in Francia, Siemens in Germania, Ferranti in Inghilterra, Olivetti in Italia), ma per molto tempo sarà costretta a rincorrere i giganti americani.

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