La era moderna de lo electrónico comenzó con la bombilla, pero no de la forma que te imaginas. Las primeras bombillas consistían en un filamento de carbono sellado al vacío dentro de una bombilla de vidrio. Cuando una diferencia potencial se aplicaba a través del filamento, fluía corriente por él, calentándolo a más de 2000 Kelvin, tan caliente que brillaba. Si había mucho oxígeno en la bombilla, el filamento se quemaba inmediatamente. Esa era la razón del vacío.
Pero desde la perspectiva de la electrónica, el descubrimiento más importante vino de una curiosa observación hecha por Thomas Edison. Vio que, durante la vida de una bombilla, el vidrio comenzaba a decolorarse, volviéndose amarillo y luego marrón, pero de un solo lado. ¿Qué era lo que ocurría?
Bueno, el filamento calentado no solo emite luz y calor, sino también electrones. Puedes pensarlos como si salieran de la superficie en hervor del carbono. Este fenómeno, conocido como emisión termoiónica, había sido descubierto independientemente por otros científicos 27 años antes.
Pero luego de Edison, se hizo ampliamente conocida. De hecho, por un tiempo, la emisión de electrones de un filamento caliente fue llamada el efecto Edison. Estos electrones que flotaban dentro no tenían obstrucciones porque estaban en un vacío.
Pero como había una diferencia potencial a través de los cables que llevaban al filamento, los electrones eran atraídos al cable positivo, así que aceleraban hacia él y la mayoría pasaban flotando y se estrellaban con el vidrio, cambiando con el tiempo solamente el color del lado positivo. Debería aclarar que Edison usaba electricidad de corriente continua, si hubiera usado corriente alterna, los dos lados cambiarían su color. Pero fue esta observación la que formó el escenario para una revolución electrónica y, eventualmente, para las primeras computadoras digitales.
En 1904, John Ambrose Fleming patentó un dispositivo que era muy similar a la bombilla de Edison, pero con una importante adición, un segundo electrodo en la bombilla. Al cargar positivamente esta placa con respecto al filamento, los electrones podían ser acelerados a través del espacio completando el circuito. Pero si la placa fuera levemente negativa con relación al filamento, repelería los electrones y no fluiría corriente.
Fleming llamó a este dispositivo una calle de una mano para la electricidad. Como uno de los electrodos estaba caliente, los electrones solo podían fluir desde allí a la placa y no en dirección opuesta. El dispositivo se llamó diodo termoiónico y fue inicialmente usado para detectar señales de radio, pero también podía convertir corriente alterna a corriente continua. Los científicos rápidamente notaron que un diseño más eficiente tendría el filamento en el centro y el otro electrodo, la placa o ánodo, en forma de cilindro a su alrededor.
Esta geometría capturaba más electrones que salieran del filamento y permitía que fluyeran corrientes más grandes. Con solo uno de estos diodos puedes convertir corriente alterna en un tipo accidentado de corriente continua. Pero combinar varios diodos y un condensador llevó a una corriente continua bastante constante. Y esto fue algo importante. Fue el primer dispositivo práctico de tubo de vacío y el modelo para todos los tubos de vacío que dominarían la industria por el siguiente medio siglo.
A principios de 1900, el gran problema de la electrónica era la amplificación. La radio había sido recién inventada, pero su rango era limitado por la falta de equipamiento confiable que pudiera impulsar señales débiles. De forma similar, las llamadas telefónicas eran limitadas a un máximo de 1.300 kilómetros, porque para ese punto la señal era demasiado débil para ser oída. Se había creado una forma rudimentaria de amplificación para operaciones telegráficas llamada relay.
El relay tiene un electroimán, y cuando fluye la corriente a través de ese electroimán atrae un interruptor que enciende un segundo circuito. Pero cuando la corriente se detiene, el electroimán también y se libera el interruptor, el segundo circuito está abierto nuevamente. Este dispositivo funciona bien para amplificar los puntos y las rayas del código Morse a través de las líneas de telégrafo, pero su producto binario significa que es incapaz de amplificar las señales complejas y analógicas de llamadas telefónicas y ondas de radio.
Y por eso fue un descubrimiento tan importante en 1906 cuando Lee DeForest tomó el diodo y agregó otro electrodo en la bombilla. Este electrodo no era una pieza sólida de metal, sino una grilla de cables. y fue posicionada entre el filamento o cátodo y el ánodo.
Por sus tres electrodos fue llamado triodo. Una gran diferencia potencial podría aplicarse a través del ánodo y el cátodo, pero el número de electrones que realmente fluían entre ellos era controlado por el voltaje de la grilla, como se llamó a este electrodo. Si la grilla tuviera una leve carga negativa, repelería electrones del filamento para que ninguno pudiera fluir a través del ánodo. Pero si la grilla tuviera una leve carga positiva, los electrones serían atraídos hacia la dirección opuesta del filamento y la mayoría pasaría a través de los espacios de la grilla y acelerarían hacia el ánodo. De esta forma, un pequeño cambio en el voltaje de la grilla puede controlar mucho voltaje en el ánodo y la respuesta es rápida, así que puedes obtener una alta amplificación de frecuencia.
Me gusta pensarlo como estar parado en el borde de un acantilado y abrir y cerrar un grifo de agua enorme. No requiere mucha energía encender la válvula, pero ese pequeño input se convierte en un enorme producto de agua cayendo por el acantilado. Está dando energía a este canal de aquí. Lo puedes ver recalentándose ahí. ¿El amarillo es el input?
El amarillo es el input, el púrpura es el output. Esencialmente tenemos un cambio de 2 voltios que nos da... ¿Cuánto es?
5 voltios. 5, 10, 15 voltios en el output. Para esta demostración, solo usamos 24 voltios en el ánodo.
Si hubiéramos usado un voltaje más alto, podríamos haber tenido mucha más amplificación. Y eso se hacía. Este fue el dispositivo que nos permitió hacer llamadas a larga distancia por primera vez. Usando tubos de vacío, la primera llamada transcontinental de Nueva York a San Francisco se realizó el 25 de enero de 1915. ¡Guau!
Sí, eso es. Deberían ser 10 voltios. Es difícil ver la grilla aquí porque, igual que con el diodo cilíndrico, la mejor configuración para un triodo es una configuración cilíndrica. El ánodo está en el exterior, la grilla está cilíndricamente dentro de él y el cátodo o filamento está en el centro.
La invención del triodo fue increíblemente importante. Las radios, los televisores, todo lo electrónico que la gente tuviera funcionaban a través de los tubos de vacío. Hubieses tenido muchas en tu hogar incluso hasta las décadas del 60 y 70, pero los tubos de vacío siguieron revolucionando la electrónica.
En su tesis de 1937, Claude Shannon halló una conexión entre los circuitos eléctricos y una rama de la matemática llamada álgebra de Boole. Trabajando a mediados de 1800, George Boole intentaba encontrar una fundación matemática para la lógica. Bajo su sistema, una afirmación verdadera era representada como un 1 y una afirmación falsa como un 0. Y Boole también desarrolló varias operaciones como la AND.
Si ambas afirmaciones A y B eran verdaderas, entonces el output también sería verdadero. Lo que Shannon halló es que las operaciones de Boole podían representarse como circuitos electrónicos, que había una equivalencia entre las afirmaciones matemáticas y circuitos eléctricos. Solo necesitabas entender que esos circuitos en la vida real eran un par de interruptores. Ese mismo año, 1937, George Stibitz construyó la primera calculadora digital. Podía agregar dos números binarios de un bit.
Es decir, que podía agregar dos números siempre que fueran o 0 o 1. La calculadora funcionaba usando un relay, el interruptor electromecánico de la telegrafía. Había dos inputs. Si se los dejaba abiertos, el input era cero.
Si estaba cerrado, era un uno. El output se mostraba en dos bombillas de luz. Si no había luces encendidas, la respuesta era cero.
Si la luz del output estaba encendida, la respuesta era uno. Y si la luz de carga estaba encendida, la respuesta era dos. El diagrama del circuito funciona así.
Si ningún interruptor A o B está cerrado, sumando 0 más 0. Entonces no hay corriente fluyendo por el circuito y ninguna bombilla se encendería. Pero si el input A estaba cerrado, la corriente fluiría a través del solenoide y crearía un campo magnético que hace que el interruptor de dentro se cierre y esto conecta la bombilla del output a la energía y desconecta la bombilla de carga. Así, las luces del output se encienden, lo que significa que la respuesta es 1. Y lo mismo ocurriría cuando se cerrara el input B IEA quedará abierto, pero si cerrarás AIB simultáneamente...
No habría corriente fluyendo a través del solenoide, pero sí habría corriente fluyendo a través de la batería conectada a A que está conectada a la batería de carga. Así que se enciende indicando que 1 más 1 es igual a 2. Este es el comienzo de la era digital. No, no era glamorosa.
Stivitz construyó este dispositivo con unas baterías, unas bombillas y relays que tenía por ahí. Y para hacer los inputs cortó una lata de tabaco. Lo construyó en una noche en la mesa de su cocina. y pasó a conocerse como el modelo K.
El circuito que construyó Stibitz ahora es llamado sumador medio. Pero si miras el circuito a través de los ojos de Claude Shannon, notas que en verdad son un par de puertas lógicas. La bombilla del output debería encenderse cuando A o B, aunque no ambas a la vez, estén cerradas. Esto se conoce como una puerta exclusiva OR. Mientras que la bombilla de carga solo debería encenderse cuando tanto A como B estén cerradas.
Entonces, esta es la puerta AND. Este circuito usa versiones eléctricas de operadores de BULL, XOR y AND. Y es posible construir otros operadores de BULL como puertas eléctricas para cosas como OR, NOR y NAND.
Y podrías decir, ¿por qué es importante? Bueno, lo importante es que has engañado a un grupo de electrones para que hagan matemáticas por ti. Sí, es matemática muy simple.
Pero podrías conectar muchos de esos sumadores medios entre sí y construir circuitos más y más complejos que pudieran hacer matemática más complicada. Que es exactamente lo que Stivitz y sus colegas de Bell Labs hicieron. Dos años más tarde construyeron el modelo 1, que tenía más de 400 relays y podía sumar dos números de 8 dígitos en una décima de segundo.
También... Podía multiplicar números de 8 dígitos y hacer multiplicaciones de números complejos. Sin embargo, estas operaciones más complicadas llevaban más tiempo, alrededor de un minuto por cálculo. Pones un voltaje a través de una bobina y va a encender o apagar ese interruptor. Así tienes dos operandos aquí, y si quieres sumar dos números entre sí, el 2 es aquí, el 3 es este.
Bien. El 1 y el 0 son 2. Sí. 1 y 1 son 3. Y para hacer el cálculo, presiones a este botón. Tenemos 101. Me encanta ese sonido.
Es increíble. Es mágico. Si quieres hacer, digamos, 8 más...
Eso sería 4. 8 más 8. ¿Sí? Bien, vuelve a 0. 8 más 8 serían 16. Sí, se limpia solo. Ok, allí lo tienes. 8 más 8 es igual a 16 en binario, que sería Esto es esencialmente una unidad aritmética de un bit. No tiene funciones lógicas, solo hace sumas.
Bueno, digamos que queremos hacer 5 menos 2. La respuesta va a ser 3. Encendemos este interruptor de aquí, que deja ver que estoy haciendo una sustracción. Y hacemos una sustracción al hacer el complemento de 2. Esencialmente lo que hacemos es invertir uno de los operandos y sumamos 1. Ahora, cuando presiono, puedes ver que 5 menos 2 es 3. Así que 2 y 1 es 3. Por la forma en la que hacemos esto, la señal final de carga acaba por iluminarse aquí abajo. Pero si sabemos que estamos haciendo una operación de sustracción, sabemos que esta señal final de carga no estaría encendida si no fuera así.
Durante los siguientes 10 años construyeron seis computadoras más basadas en Relays, que eran usadas por la milicia estadounidense y el Comité Consultivo Nacional de Astronáutica, o NACA, que más tarde se convertiría en la NASA. Pero incluso al principio de la década de 1940, era claro que la naturaleza mecánica del relay, el cierre y la apertura de los interruptores, era demasiado lenta para ser el futuro de las computadoras, y tendían a romperse. Siempre que tienes algo que es mecánico, se va a desgastar. Cada vez que ese interruptor se mueve, hay algo de fricción en el punto de rotación ahí adentro, y hay contactos que hacen y rompen conexiones eléctricas, y van a desgastarse. Y todos los relays abriéndose y cerrándose significaban que las computadoras eran increíblemente ruidosas.
No funciona muy bien en un ambiente laboral realmente. No puedes colocarla en tu oficina. Vas a volver a todos locos.
Lo que las computadoras de los científicos necesitaban era un interruptor electrónico. Y allí es donde aparece el triodo de tubo al vacío. ¡Wow! Es decir, claro que puede funcionar como un amplificador si pones una carga levemente positiva en la grilla, pero también puede funcionar como un interruptor.
Si el voltaje de la grilla es muy negativo, no fluye corriente. Y si el voltaje de la grilla es muy positivo, fluye la máxima corriente. Entonces el triodo puede ser controlado usando partes que no se muevan.
Solo un voltaje va a hacer que sea un 0 o un 1. Lo mejor de todo es que pasar de uno a otro puede hacerse rápidamente Gracias. Y sin ruido, porque está solo controlando electrones que se mueven dentro de un vacío. Esta fue la invención que llevó la computación al siguiente nivel.
La primera computadora electrónica programable se llamaba ENIAC y estuvo en funcionamiento por primera vez el 10 de diciembre de 1945. Ocupaba toda una habitación, pesaba 30 toneladas y usaba 175 kilovatios de energía. Tanto... que llevó a un rumor de que cada vez que la encendían, las luces de Filadelfia donde se encontraba la ENIAC perdían potencia.
Eso era tan solo un rumor, pero principalmente porque la ENIAC tenía su generador eléctrico dedicado a poder funcionar con la enorme demanda de energía. A diferencia de computadoras previas, la ENIAC no estaba limitada a resolver solo un tipo de problema matemático. Podía programarse y era rápida.
Completaba 500 operaciones por segundo. En ese momento, la palabra computadora todavía se refería a personas que hacían cálculos a mano. Así que 500 operaciones por segundo era muy rápido.
La flexibilidad y el poder de la ENIAC fue inmediatamente útil para el desarrollo de la bomba de hidrógeno. Las computaciones que se necesitaban eran tan complejas que el director de Los Álamos de aquel entonces dijo hubiera sido imposible llegar a cualquier solución sin la ayuda de la ENIAC. Esta es la parte divertida de tener un... procesador que mide un metro de alto y 70 centímetros de ancho, es que puedes apuntar a las verdaderas partes del procesador.
Así se ve una computadora de tubo de vacío de un bit. ¿Sientes el calor que emana? Claro que puedo.
¿Yo puedo sentir el calor desde aquí? Está calentándose. Bueno, 190 tubos de vacío es mucho.
Creo que hicimos el cálculo. Esto maneja entre 350 y 400 watts de poder o algo así. Es algo absurdo. Por la noche, es asombroso.
Se ve como una ciudad. Pero también hay grandes fallas con los tubos de vacío. Los filamentos siempre tenían que ser calentados, así que usaban mucha energía, incluso cuando no eran usados. Y eran grandes. Era difícil hacer un tubo de vacío de vidrio con electrodos complejos dentro, arbitrariamente pequeño.
También eran poco confiables. En promedio, un tubo de vacío de la ENIAC se rompía cada algunos días. Y necesitaba ser ubicado y reemplazado. El tiempo más largo que la ENIAC funcionó sin fallas fue de tan solo 116 horas.
Las primeras computadoras digitales funcionaban con bombillas mejoradas. Por eso eran tan enormes, poco confiables y consumían tanto. El milagro y lo que hizo nuestras vidas modernas posibles es que alguien halló la forma de hacer el mismo truco con los electrones dentro de una pieza de material sólido, el silicio. Pero esa es una historia para otro día.