Telaio e computer

Alle origini del computer
 
Per migliaia di anni l’abaco rimase l’unico tipo di calcolatore. Il problema da superare per arrivare a una meccanizzazione del calcolo era quello del riporto da un’unità all’altra, problema che nell’abaco poteva essere risolto soltanto manualmente.
Soltanto nel Seicento venne l’idea di applicare i complessi meccanismi degli orologi all’esecuzione di operazioni con i numeri. Un’idea tanto semplice quanto geniale: la serie di ruote dentate di un orologio, con le quali si calcolavano minuti, secondi e ore, poteva servire, allo stesso modo, per calcolare addizioni, sottrazioni e quindi moltiplicazioni e divisioni.

Bastava riportare meccanicamente, decine, centinaia, migliaia e così via, con la stessa tecnica che si usava per riportare secondi. minuti e ore.


Per l’orologio,

60 secondi corrispondono a 1 minuto

60 minuti corrispondono a 1 ora

mentre per la calcolatrice,

10 unità corrispondono a 1 decina

10 decine corrispondono a 1 centinaio

10 centinaia corrispondono a 1 migliaio

e così via.

La ruota dei secondi, ad esempio, fa 60 scatti e al sessantesimo scatto ritorna a zero, ma contemporaneamente la ruota dei minuti fa uno scatto.
 Allo stesso modo, quando si svolge un calcolo e si arriva alla decina, la ruota dentata delle unità viene azzerata, facendo fare uno scatto alla ruota delle decine.

Il diciannovenne Blaise Pascal fu tra i primi, nel Seicento, a mettere a punto, con questa tecnica, una macchina da calcolo che eseguiva addizioni, sottrazioni e quindi anche moltiplicazioni e divisioni semplicemente come addizioni e sottrazioni ripetute.

Nella presentazione della sua macchina, nel 1645, Pascal scriveva: “Tu mi sarai grato dell’impegno di cui mi son fatto carico per fare in modo che tutte le operazioni che con i metodi precedenti erano penose, complicate, lunghe e mai sicure diventassero ora facili, semplici, veloci e affidabili”.

Alcuni anni più tardi, anche Gottfried von Leibniz si dedicò allo studio delle macchine da calcolo e realizzò una nuova macchina, con una particolare ruota dentata che consentiva di calcolare in modo più semplice e rapido moltiplicazioni, divisioni e radici quadrate. A proposito delle macchine da calcolo Leibniz, nel 1671, scriveva: “Non è degno di un uomo eminente perdere tante ore, come uno schiavo, in lavori di calcolo che chiunque potrebbe risolvere se venisse utilizzata una macchina”. Egli concepì addirittura una macchina da calcolo per il sistema binario, ma dovette rinunciare alla sua realizzazione perché le possibilità tecniche dell’epoca erano all’epoca ancora inadeguate.

Purtroppo le macchine di Pascal, di Leibniz e le molte altre dell’epoca, non risolvevano i problemi dei grandi calcoli. In pratica ogni operazione richiedeva continui interventi manuali che ne limitavano enormemente le possibilità d’impiego; inoltre il gran numero di ruote dentate, non sempre perfette, creavano parecchi problemi lasciando sempre molti dubbi sui risultati ottenuti.
Ancora nell’Ottocento le macchine da calcolo eseguivano soltanto un’operazione alla volta e sempre in modo troppo lento.

Verso il 1820, un nobile inglese, grande esperto in matematica e in costruzioni meccaniche, Charles Babbage, riuscì per primo a intravedere la soluzione del problema di rendere completamente automatica l’esecuzione di qualsiasi serie di calcoli.

La struttura della sua macchina, in anticipo sui tempi, avendo a disposizione una tecnologia troppo limitata per poter essere realizzata, era straordinariamente simile a quella del moderno calcolatore.

Pochi sanno che la storia dell’informatica può essere fatta iniziare in Italia, e precisamente a Torino, poco più di 150 anni fa. Era la fine del 1840 e Babbage, oggi considerato il primo informatico della storia, venne a Torino per presentare la sua “Macchina Matematica” all’Accademia delle Scienze, in occasione del secondo Congresso degli Scienziati o, come si diceva allora, dei “Filosofi” italiani.

Lo accompagnava un amico piemontese, Federico Prandi, che viveva in esilio a Londra, essendo stato condannato a morte per aver partecipato ai moti liberali del ’21 e che proprio in virtù della sua amicizia con Babbage aveva ricevuto uno speciale salvacondotto per un breve ritorno in patria.

Più tardi Prandi sarà graziato e diverrà uno dei più attivi imprenditori del Regno, fondando una società che si occuperà di cantieristica e che diverrà l’Ansaldo.

Babbage aveva prodotto, nei suoi primi anni di attività scientifica, un ottimo lavoro teorico grazie al quale era stato chiamato a coprire la cattedra di Matematica dell’Università di Cambridge; ma da una decina d’anni aveva lasciato la teoria per buttarsi, anima e corpo, nello studio e nel progetto del primo calcolatore della storia. Veniva a Torino per presentare alla comunità scientifica mondiale, per la prima vola, il frutto del suo lavoro e portava con sé, in un enorme baule, i disegni e il modello di alcune parti della sua “Analitical Engine”, la “Macchina Matematica”.

La maggior parte degli episodi qui descritti è tratta dall’autobiografia di Babbage, Passage from the life of a philosopher, pubblicata nel 1862. Sul frontespizio del volume, l’autore ricorda la sua onorificenza di Commendatore dell’Ordine Italiano di San Maurizio e San Lazaro; nella prima pagina, in grande evidenza, c’è la dedica del volume a Vittorio Emanuele II, che merita di essere tradotta perché può essere interpretata come l’atto di nascita della nuova scienza:

“Sire, nel dedicare questo volume a Sua Maestà, io compio un atto di giustizia nei confronti del vostro illustrissimo Padre. Nel 1840 il Re Carlo Alberto invitò i saggi d’Italia a riunirsi nella sua capitale. Su invito del suo più grande matematico, io portai con me i disegni e le spiegazioni dell’Analitical Engine. Essi furono ampiamente discussi e la loro validità fu riconosciuta dai più eletti figli d’Italia. Al Re, Vostro Padre, io devo il primo riconoscimento pubblico e ufficiale di questa invenzione. Sono lieto di esprimere la mia riconoscenza a Suo Figlio, il Sovrano dell’Italia unita, il paese di Archimede e di Galileo”.

Il matematico che aveva invitato Babbage in Italia era Giovanni Plana, ingegnere e militare, autorevole membro dell’Accademia delle Scienze. Era il direttore dell’Osservatorio astronomico di Palazzo Madama ed è ancora oggi noto per un trattato in tre volumi sul movimento della Luna. Come tutti gli astronomi di quel tempo era probabilmente assillato dal problema del calcolo delle orbite dei corpi celesti.

Forse fu proprio il desiderio di far meglio quei calcoli, spendendo minor fatica, a indurre Plana a invitare Babbage a Torino, avendo sicuramente sentito parlare della sua macchina. 
Il dibattito con i matematici italiani fu appassionato e si svolse non solo in pubblico, ma anche nell’abito di gruppi di lavoro più ristretti, proseguendo a volte nella stanza stessa di Babbage.

Particolarmente importante è il confronto tra Babbage e Ottaviano Mossotti, giovane fisico e astronomo, che dopo un lungo esilio era stato chiamato all’Università di Pisa. Di lì nel 1848 accorrerà volontario in Lombardia, a capo del battaglione universitario toscano, e parteciperà alla battaglia di Curtatone e Montanara. L’interesse storico e scientifico del dibattito tra Babbage e Mossotti deriva dall’assoluta novità dell’argomento trattato, che non riguardava tanto l’esecuzione delle operazioni aritmetiche considerate singolarmente, quanto il concatenamento delle varie operazioni e l’esecuzione di un vero e proprio programma.

A Torino, per la prima volta, si parlò di programma, il concetto centrale della scienza e della tecnica informatica, ossia della descrizione di sequenze di istruzioni, con possibili salti e diramazioni, da eseguirsi automaticamente senza l’intervento dell’uomo fra un’operazione e la successiva e da considerarsi come un dato di ingresso alla pari dei dati numerici.

Lo schema a blocchi della macchina di Babbage è simile allo schema del calcolatore attuale. Egli divise la sua macchina in tre blocchi fondamentali. Il primo, che chiamò “magazzino”, era la Memoria centrale in cui dovevano essere conservati i dati, le informazioni da elaborare. C’era poi il “mulino” ossia l’unità di calcolo in cui venivano svolte le operazioni sui dati prelevati dal magazzino e infine, altrettanto importante, c’era un’unità di controllo per controllare che le operazioni venissero svolte nell’ordine stabilito.

La descrizione del programma era affidata, nell’invenzione di Babbage, alla scheda perforata, figlia del cartone che Jacquard aveva introdotto nel telaio, qualche decennio prima, per memorizzare il disegno da riprodurre. Babbage proponeva l’uso di due tipi di scheda, una per indicare le variabili numeriche, i dati numerici, l’altra per indicare le istruzioni. La scheda perforata morirà soltanto nel 1970, uccisa dal floppy disk.

Babbage non aveva mai trovato il tempo di descrivere la sua invenzione in un articolo scientifico. Quando Plana si accinse a farlo, si accorse della difficoltà e della complessità del lavoro e rinunciò. Plana aveva ricevuto il titolo nobiliare di barone ed era anche “barone” in senso accademico, autoritario e quasi dispotico, così trasferì il compito di descrivere la Macchina Matematica a un suo giovane e brillante collaboratore, Luigi Federico Menabrea.

Menabrea era un ottimo matematico e astronomo, come Plana e Mossotti, ed era appena stato nominato tenente del Genio da Carlo Alberto. Diventerà tenente generale e sarà decorato con medaglia d’oro al valor militare. Sarà senatore per 36 anni consecutivi (un primato che probabilmente è caduto soltanto ai giorni nostri), ministro, presidente del Consiglio e ambasciatore, svolgendo una politica piuttosto conservatrice e poco favorevole al Garibaldi, senza tuttavia riuscire ad impedire l'intervento francese di Mentana.

Menabrea che sarebbe certamente divenuto un grande uomo di scienza se non avesse avuto altri interessi, produsse un ottimo documento illustrativo della macchina di Babbage. L’articolo venne presentato nel 1842 alla “Bibliothèqye Universelle de Genève” e ha una grande importanza concettuale e storica perché può essere considerato il primo lavoro scientifico nel settore dell’informatica.

Qualche mese più tardi il lavoro di Menabrea venne tradotto in inglese e ampiamente commentato dalla contessa Ada Byron, contessa di Lovelace, la figlia di Lord Byron, studiosa dalla approfondita cultura matematica, che aveva sempre seguito con grande interesse il lavoro di Babbage. Anche i commenti di Ada Byron hanno grande valore scientifico. Tra l’altro Ada discusse in quelle note la programmabilità del calcolatore di Babbage come strumento di guida del telaio per la tessitura; per questa ragione viene oggi considerata la prima programmatrice della storia e potrebbe essere ricordata anche come la prima utilizzatrice dell’informatica per l’automazione.
In una delle sue note, Ada iniziò quello che da allora è noto come il Regime di Lovelace, asserendo che una macchina può fare soltanto ciò che le si ordina e nient’altro: “La Macchina Matematica non ha la pretesa di creare nulla. Può analizzare, ma non ha le capacità di anticipare le connessioni o le verità analitiche. L’unica sua funzione è quella di rendere accessibili le conoscenze già acquisite”. È, anche questo, un punto di grande interesse storico, perché, secondo alcuni studiosi, con l’avvento dell’Intelligenza Artificiale il Regime di Lovelace è finito.


Ada amava le piccole trasgressioni, così la sua passione per le corse dei cavalli la indusse a dimenticare ciò che aveva scritto nella nota sopra citata e a sviluppare un programma di ausilio alla scommettitore, basato sul calcolo delle probabilità. Questa idea ha un valore storico e avrebbe dovuto darle il titolo di prima programmatrice di un “sistema esperto”, ossia di un sistema di calcolo che incorpora le conoscenze di un esperto in un dato settore. Per il momento la comunità scientifica non le ha ancora attribuito questo riconoscimento, forse per il fatto che Ada dovette vendere i gioielli di famiglia per pagare i debiti di gioco.


Babbage non completò mai la realizzazione di una delle sue macchine, per il suo carattere bizzoso e litigioso e anche perché, ogni volta che si innamorava di un’idea nuova, abbandonava il progetto non ancora terminato.

L’ultimo suo modello di macchina matematica avrebbe dovuto essere grande come un campo di calcio ed essere azionato da un enorme motore a vapore. Il primo ministro Benjamin Disraeli gli rifiutò il finanziamento, affermando che l’unica applicazione concreta di quella macchina gli appariva il calcolo delle somme già spese per le ricerche di Babbage.

Disraeli aveva ragione. Babbage aveva compreso che un calcolatore programmabile doveva contenere molte migliaia di componenti elementari, ma le routine dentate a cui si affidava, per quanto miniaturizzate, avrebbero sempre avuto un ingombro e un costo inaccettabili. Anche la più raffinata tecnologia meccanica era inadeguata alle idee di Babbage. Occorreva aspettare cento anni e l’avvento di una nuova tecnologia, la microelettronica, per tradurre quelle idee geniali in realtà.

Poco dopo Babbage, negli Stati Uniti, Hermann Hollerith progettò una macchina che venne adottata dall’Ufficio del Censimento Americano per risolvere il problema dell’analisi dei dati del Censimento del 1880. Un mare di dati, impossibili da gestire manualmente, che Hollerith inserì su schede di cartone sempre bucate, ma gestite in modo completamente diverso dal precedente progetto di Babbage.

Ogni buco 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 buco oppure con l’assenza del buco. I buchi venivano poi letti elettricamente dalla sua macchina, fornendo i dati complessivi in brevissimo tempo. Hollerith fondò una società dalla quale discende l’International Business Machines, meglio nota come IBM.

Con l’elettricità si rese finalmente disponibile la tecnologia per la realizzazione della macchina di Babbage. I vari ingranaggi potevano essere sostituiti da circuiti elettrici e le ruote dentate da interruttori. Questi ultimi potevano soltanto essere aperti o chiusi ed era quindi logico metterli in rapporto con le cifre del sistema binario 1 oppure 0. Per inserire dati e istruzioni nel calcolatore era necessario avere a disposizione un codice binario. 
Alla base dei primi calcolatori elettrici c’erano interruttori elettromeccanici chiamati relè, mossi da impulsi elettrici, il cui compito era quello di aprire o chiudere circuiti elettrici.

La prima versione di un calcolatore elettronico nacque nel 1939, nella camera da letto dei coniugi Zuse. Imprestarono la loro stanza al figlio Konrad, un ragazzo geniale, perché potesse avere uno spazio adeguato per montare la sua macchina. 
Poco dopo, nel 1943, Howard Aiken, grazie ai finanziamenti dell’IBM, realizzò uno dei primi esemplari di calcolatori elettrici automatici, una “macchina analitica” simile a quella progettata da Babbage, ma funzionante elettricamente. Era una macchina che utilizzava la tecnologia dei relè, già adottati nella realizzazione delle prime reti telefoniche. I dati e i risultati erano registrati su schede perforate, mentre per le istruzioni del programma si utilizzavano nastri di carta perforata. I buchi delle istruzioni riportate sui nastri di carta venivano letti dalla macchina in modo che a ogni buco corrispondesse un interruttore chiuso e alla mancanza del buco un interruttore aperto.

Questa macchina, battezzata Mark 1, utilizzava 800 chilometri di fili e pesava 35 tonnellate. Migliaia di relè producevano un rumore infernale quand’erano in funzione e, guastandosi facilmente, richiedevano una manutenzione continua e faticosa. Sembra impossibile che in pochi anni una macchina simile possa essere stata concentrata in un piccolo calcolatore tascabile, dal costo irrisorio rispetto a quello di questi primi calcolatori.
Se l’industria aeronautica si fosse evoluta allo stesso modo, oggi l’aereo più sofisticato costerebbe meno di una bicicletta e potrebbe fare il giro del mondo in pochi secondi, con poche gocce di benzina.

Il salto al calcolatore moderno avviene tre anni dopo la realizzazione del MARK 1, nel 1946, quando i tecnici della Pennsylvania School of Electrical Engineering costruirono il primo calcolatore elettronico, sostituendo gli interruttori elettromeccanici con le valvole termoioniche prese in prestito dai primi apparecchi radio e televisivi. In questo modo i circuiti elettrici potevano venire aperti o chiusi senza dover mettere in movimento parti meccaniche, con una velocità mille volte superiore a quella dei relè telefonici.
La nuova macchina, battezzata ENIAC, era in grado di eseguire 500 operazioni al secondo. Dati e istruzioni non erano più inseriti nel calcolatore con schede perforate ma, proprio per la sua alta velocità di calcolo, con una serie di interruttori aperti o chiusi. Le sue dimensioni erano ancora enormi, pesava 30 tonnellate e utilizzava ventimila valvole termoioniche, anche queste però, come i relè, facilmente soggette a guasti. Per questo era sempre operante una squadra di 10 manutentori.
La famiglia dei calcolatori che utilizzavano tubi elettronici (le vecchie “valvole” con il filamento incandescente che amplificavano i segnali delle radio dei nostri nonni), come l’ENIAC, è considerata la prima generazione dei calcolatori elettronici.

Nel 1936, a 24 anni, Alan Turing pubblicò un libro, On computable number, in cui descriveva una macchina ideale che illustrava esattamente limiti e possibilità del computer, prima che questo venisse effettivamente costruito, una “macchina astratta” che era praticamente la base teorica del moderno computer. La Seconda Guerra Mondiale e la necessità di decifrare i codici segreti nazisti offrì a Turing l’opportunità di verificare concretamente le proprie idee. Nella sua battaglia contro ENIGMA, la macchina che i tedeschi usavano per mettere in cifra tutte le loro comunicazioni radio di servizio, aveva avuto carta bianca da Churchill in persona.

La macchina che Turing costruì per decifrare i messaggi nemici erano la realizzazione pratica delle sua macchina ideale e i successivi progressi tecnologici, con il passaggio dai relè ai tubi elettronici e in seguito ai transistor, permisero alla fine della guerra rapidi progressi nella realizzazione delle nuove macchine calcolatrici.

Per verificare l’intelligenza del computer, Turing ideò un famoso test, noto proprio come Test di Turing: un uomo e un computer rispondono alle domande di chi conduce il test attraverso una tastiera, in modo che senza essere visti compaiano soltanto le loro risposte su uno schermo. Se non è possibile distinguere le risposte dell’uomo da quelle del computer, vorrà dire che anche quest’ultimo è intelligente. HAL 9000, il computer di 2001 Odissea nello spazio, ad esempio, avrebbe sicuramente superato la prova. Ma siamo nella fantascienza. Nella realtà è possibile pensare a una macchina simile? “E’ consuetudine offrire un briciolo di conforto e dichiarare che certe caratteristiche peculiari dell’uomo non potranno mai essere imitate da una macchina - affermava Turing - io però non sono in grado di offrire un simile conforto, perché credo che limiti di questo genere non si possano porre”.

Sappiamo tutti che noi essere umani siamo composti da un numero enorme di cellule (circa venticinquemila miliardi) e che quindi tutto ciò che facciamo potrebbe essere descritto, in linea di principio, in termini di cellule. O potrebbe addirittura essere descritto a livello molecolare. Per lo più accettiamo tutto ciò in modo alquanto pragmatico: andiamo dal dottore, il quale ci esamina a livelli più bassi di quelli ai quali noi stessi ci consideriamo; leggiamo articoli sul DNA e sull’”ingegneria genetica” e intanto sorseggiamo il caffè. A quanto pare, abbiamo conciliato questi due quadri incredibilmente diversi di noi stessi semplicemente sconnettendoli l’uno dall’altro. Praticamente non c’è modo di collegare una descrizione microscopica di noi stessi in “comparti” affatto separati della nostra mente. E’ raro che ci capiti di dover passare dall’una all’altra di queste due concezioni di noi stessi chiedendoci: “Come fanno queste due cose completamente diverse ad essere lo stesso me?”.

Oppure: consideriamo una sequenza di immagini televisive che mostrano Shirley MacLaine che ride. Quando guardiamo questa sequenza sappiamo che in realtà non stiamo guardando una donna, bensì sciami di puntini che guizzano su una superficie piatta. Lo sappiamo, ma nulla è più lontano dalla nostra mente. Di ciò che si trova sullo schermo possediamo queste due rappresentazioni violentemente contrastanti, ma non ne siamo imbarazzati: possiamo semplicemente escluderne una e concentrarci sull’altra, ed è ciò che facciamo tutti. Quale delle due è più “reale”? La risposta varierà, a seconda che siate un uomo, un cane, un calcolatore o un televisore.


Douglas R. Hofstadter, Gödel, Escher, Bach: un’Eterna Ghirlanda Brillante, Adelphi, 1984

Fonte: Progetto Polymath, Politecnico di Torino