Las Computadoras Superpoderosas de las que Nunca te Contaron

[0:00]En 1901, hallaron este antiguo artefacto griego en un naufragio en la isla de Anticitera. Los rayos X3D revelaron que contiene 37 engranajes de bronce interconectados, que le permitían modelar los movimientos del sol y la luna, y predecir eclipses con décadas de antelación. Construido alrededor de los años 100 y 200 antes de Cristo, el mecanismo de Anticitera es una temprana y sofisticada computadora, de la clase que no se vería de nuevo por al menos 1000 años. Claro que esta computadora no funciona como las computadoras digitales modernas, funciona por analogía. Los engranajes fueron hechos de forma tal que el movimiento de ciertos diales son análogos al movimiento del sol y de la luna. Es una computadora analógica. Esta es una computadora analógica simple para la suma de dos números. Si giras un poco la rueda negra, y luego giras otro poco la rueda blanca, la rueda gris muestra la suma de las dos rotaciones. En contraste, esta es una computadora digital mecánica en la que puedes sumar dos números de un bit. Entonces, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1 y 1 + 1 = 2. Estos dispositivos ilustran las diferencias entre las computadoras analógicas y digitales. Las analógicas tienen un rango continuo de entrada y salida de información, mientras que las digitales solo funcionan con valores discretos. Con las analógicas, las cantidades de interés están representadas por algo físico, como cuánto gira una rueda. Mientras que las digitales trabajan con símbolos, como ceros y unos. Si la respuesta es 2, no hay nada en la computadora que sea el doble de 1. En las analógicas, sí lo hay. Por miles de años, la gente usó dispositivos analógicos como el mecanismo Anticitera o las reglas de cálculo, al mismo tiempo que dispositivos digitales como los ábacos. Y hasta los años 60, las computadoras más poderosas del mundo eran analógicas. Ahora casi todo es digital. La mayoría de las personas nunca han oído de las computadoras analógicas. Pero hoy, eso puede estar cambiando. La ley de Moore, la idea de que puedes duplicar el número de transistores en un chip cada 2 años, está llegando a su límite, porque los transistores son casi del mismo tamaño que un átomo. A la vez, los avances en el aprendizaje automático están tensionando las capacidades de las computadoras digitales. La solución a estos desafíos, podría ser una nueva generación de computadoras analógicas. Uno de los mayores problemas que ha encontrado la humanidad por miles de años es el de predecir las mareas. Napoleón y sus hombres casi mueren al cruzar el Mar Rojo gracias a un mal cálculo de la marea creciente. Y los marineros debían saber rutinariamente de las mareas para entrar sus naves al puerto sin encallarse. La mayoría de las zonas costeras del mundo experimentan dos mareas altas y dos bajas por día. Pero sus tiempos exactos y magnitudes varían. Esto es en parte causado por factores locales como la profundidad del lecho y la forma de la costa. A fines del siglo XVIII, para describir el fluir de las mareas oceánicas, Pierre-Simon Laplace derivó una serie de ecuaciones diferenciales complicadas. No tenían solución analítica, así que en aquel momento eran básicamente inútiles. Pero en el proceso de derivar sus ecuaciones, Laplace halló algo importante. Las mareas son impulsadas por unas pocas y específicas frecuencias astronómicas que incluyen a la luna, el sol, y la excentricidad de la órbita lunar. Cada uno de estos factores aporta una onda sinusoidal de amplitud y fase particular al total de la curva de mareas. Si alguien pudiese descubrir cómo combinar correctamente estos componentes de la frecuencia, las mareas podrían finalmente predecirse. Llevó casi un siglo, pero en la década de 1860, William Thomson, luego Lord Kelvin, tomó el desafío. Luego de haber viajado mucho para instalar el primer cable transatlántico de telégrafo, desarrolló una fascinación por el mar. Así, concentró todo su esfuerzo científico en la medición y predicción de las mareas. Los mareógrafos de aquel tiempo usaban una boya para documentar la altura del mar en un rollo de papel. Kelvin se planteó determinar cómo las ondas sinusoidales, con las frecuencias que identificó Laplace, podían sumarse para llegar a la curva de marea observada. La clave fue aplicar el trabajo del matemático francés Joseph Fourier, que había mostrado cómo descomponer cualquier función en una suma de ondas sinusoidales. La mayoría de los científicos ingleses eran escépticos a su trabajo, pero a Thomson lo cautivaba. Su primer artículo, que publicó a los 17 años, fue una defensa de Fourier. Mientras que la aplicación del análisis de Fourier a las curvas de las mareas era directa, los cálculos requeridos eran enormes. Primero, divide la curva de mareas en pequeños intervalos. Para cada intervalo, multiplica el nivel de marea por una onda sinusoidal con la frecuencia de interés. Suma el área de todos estos rectángulos y divide entre el tiempo total. Esto resulta en un solo coeficiente, la amplitud de la onda sinusoidal con esta frecuencia. Luego, debes repetir este proceso para una función de coseno con la misma frecuencia. Kelvin halló que para hacer predicciones precisas, necesitaba 10 componentes de frecuencia diferentes. Eso es mucha multiplicación y mucha suma para caracterizar las mareas en solo una locación. Para cada locación adicional, tendría que hacer este análisis desde cero nuevamente. Y esto es solo la mitad del problema. Una vez que tienes las amplitudes y fases de las funciones sinusoidales, debes sumarlas para predecir futuras mareas. Lord Kelvin pasó años analizando y prediciendo mareas a mano. Luego, tuvo un momento de inspiración. ¿Podría diseñarse una máquina que lo calculase automáticamente? En palabras de Kelvin, "sustituir cerebro por metal". Las computadoras analógicas que resultaron se usaron por casi un siglo. Cumplieron un rol crítico en el resultado de la Segunda Guerra Mundial. Kelvin comenzó con el problema de la predicción, sumar las ondas sinusoidales, sabiendo sus fases y amplitudes. Sabía que podía crear movimiento sinusoidal con un dispositivo llamado yugo escocés, el cual extrae una dimensión del movimiento circular uniforme. Pero para lograr predecir las mareas, precisaba una forma de combinar 10 ondas sinusoidales. Necesitaba una mecánica analógica que la sume. En 1872, trabado en este problema, Kelvin tomó un tren y se encontró con su patrocinador principal en esta investigación, la Asociación Británica. En el tren, se encontró con un amigo, el inventor Beauchamp Tower, a quien le contó su dilema. Tower sugirió que use el plan de Wheatstone, una cadena que pasara por un número de poleas. Este era precisamente el mecanismo de suma que Kelvin estaba buscando. Al unir una polea a cada yugo escocés y hacer correr una cuerda con cierto peso por ellos, podría sumar mecánicamente todas las contribuciones de una vez. Hizo un boceto del plan para esta máquina de predicción antes de terminar su viaje. Se lo presentó a la Asociación Británica y se aseguró financiamiento para construirlo antes de regresar a casa. Sabiendo todas las contribuciones relativas de los diferentes componentes de frecuencia, Kelvin ahora tenía una máquina para automatizar la tediosa tarea de predecir mareas a futuro. Esto era un gran avance. Con 4 horas de empujar la manivela, tenías como resultado 1 año de predicciones de mareas. Pero por muchos años, la mitad más difícil del problema todavía se hacía a mano, descomponer la curva de marea existente en sus frecuencias. Para automatizar esto, Kelvin precisaba una máquina capaz de multiplicar la curva de mareas por la onda sinusoidal y luego hacer su integral. ¿Cómo se vería un dispositivo así? Con su hermano mayor, James Thomson, Kelvin creó un integrador mecánico. Consiste en una bola sobre un disco en rotación. Por la rotación del disco, mientras más lejos esté la bola del centro, más rápido gira. Si la bola está en el centro del disco, no gira en absoluto. Y si está del lado izquierdo, gira en la dirección opuesta. El movimiento de la bola es convertido en información mediante un cilindro que mueve un bolígrafo hacia arriba o abajo en un papel cuadriculado. Funciona así: buscas la función que deseas integrar con un estilete que controla la posición de la bola en el disco y así su velocidad de rotación. Esto se transfiere a través del cilindro hasta su extremo y eso dibuja la integral de la función original. Para descomponer una curva de mareas, no queremos solo integrar la función. Primero debemos multiplicarla por una onda sinusoidal de una frecuencia particular. Para hacer esto, el disco rota hacia adelante y atrás en esa frecuencia específica. Ahora la rotación de la bola no depende solo de dónde está en el disco, sino también en cómo el disco rota en cada instante. Se traza la curva de marea con el estilete que mueve la bola hacia adelante y hacia atrás en el disco oscilante y el cilindro le suma la integral de la curva de mareas por la onda de seno. Y al dividir entre el tiempo total, obtienes el coeficiente. Varios de estos integradores de bola y disco pueden ser conectados en paralelo con cada disco oscilando a una frecuencia diferente para calcular los coeficientes de los componentes de frecuencias múltiples al mismo tiempo. Las computadoras analógicas de Kelvin revolucionaron nuestra habilidad para predecir las mareas. Las curvas de mareas de cualquier lugar del mundo podrían transformarse en una serie de coeficientes sinusoidales usando el analizador de armónicos de la bola y el disco. Y las sinusoides resultantes podían sumarse para predecir futuras mareas usando su máquina de polea y yugo escocés. El analizador de armónicos de Kelvin fue la base para una computadora analógica que fue un hito, llamada analizador diferencial. Y sus máquinas de predicción se usaron hasta la década de 1960. Luego se modernizaron agregándole 26 componentes de frecuencias y con eso planearon la invasión de los Aliados el Día D. Los alemanes esperaban que una invasión sucediera con las mareas altas para reducir el tiempo de exposición de los soldados aliados en las playas. Por eso instalaron millones de obstáculos que quedarían bajo el agua con marea media, muchos con minas explosivas. Pero los aliados notaron estos obstáculos y cambiaron su táctica. Decidieron comenzar la invasión con la marea baja. Esto permitiría a los equipos de demolición abrir brechas entre los obstáculos y a los cuerpos principales atravesar esas brechas mientras que el agua subía. Esto también le daría tiempo suficiente a los botes para regresar sin quedar varados. Los tiempos de marea baja eran diferentes en las cinco playas por más de una hora, así que los momentos de invasión fueron escalonados de acuerdo a las predicciones de las mareas. Este no fue el único uso de las computadoras analógicas en la Segunda Guerra Mundial. Los aviones bombarderos descendían del cielo directamente hacia sus objetivos en ángulos de hasta 80 grados. Y sus descensos rápidos hacían muy dificultoso dispararles. Así que los Estados Unidos buscaban dispositivos que apunten automáticamente a los aviones. La mayoría de las propuestas calificaban en una de dos categorías. Unas eran máquinas analógicas como las de Lord Kelvin, y otras eran calculadoras veloces. Las máquinas calculadoras mecánicas, como los ábacos, habían existido por milenios, pero eran muy lentas para los aviones bombarderos. Estas nuevas máquinas calculadoras aceleraron las cosas usando pulsos eléctricos. El comité consideró nombrar estos dispositivos por estos pulsos, pero el miembro George Stibitz propuso un nombre más general, digital. Porque estas máquinas operaban en sí mismas con números o dígitos. Y este es el origen del término computadora digital. Pero lo digital debía esperar. De todas las propuestas, triunfó la innovadora máquina analógica de David Parkinson. En los laboratorios Bell en Nueva York, Parkinson había estado trabajando en un dispositivo para trazar datos telefónicos, llamado grabador de niveles automático. Usaba un resistor variable llamado potenciómetro para controlar el movimiento de un bolígrafo. Una noche, luego de oír informes de la angustiosa evacuación aliada de Dunkerque, Parkinson soñó que estaba en el frente de batalla. Me vi en una trinchera con una tropa antibombarderos. Un arma disparaba ocasionalmente y lo impresionante era que cada disparo de ese cañón hacía caer un avión. Luego de tres o cuatro disparos, uno de los soldados me sonrió y me invitó a acercarme. Al hacerlo, señaló el extremo expuesto del rodamiento. Allí montado estaba el potenciómetro de mi grabadora de nivel. Al despertarse, Parkinson se dio cuenta de que el dispositivo que había creado para controlar un bolígrafo podía escalarse para controlar un arma antibombarderos. Compartió esta idea con su supervisor y luego de recibir aprobación del ejército, comenzaron a hacer realidad el sueño de Parkinson. En el laboratorio Bell, habían creado un dispositivo eléctrico analógico llamado amplificador operacional, Op-amp. Podía desarrollar operaciones matemáticas con voltajes como suma y multiplicación. Los usaron para crear una computadora analógica que resolviese las ecuaciones balísticas para el antibombarderos. Con radares y sensores ópticos para obtener la velocidad, altura y dirección de los aviones. El director de armas M9, como llamaron a esta computadora, calculaba rápidamente la trayectoria correcta y configuración. Los potenciómetros se usaron para determinar la dirección en la que el arma apuntaba. Esta no fue la primera computadora analógica eléctrica, pero sí una importante. En la Primera Guerra Mundial se necesitaban un total de 17.000 municiones para derribar un solo avión. En 1943, luego de la invención de la M9, llevaba un promedio de solo 90. Durante la guerra, los Estados Unidos invirtieron mucho en computadoras analógicas. Si observas su presupuesto militar total, el tercer gasto singular más grande fue el desarrollo y producción de una computadora mecánica analógica increíblemente compleja, llamada la mira Norden. Desafortunadamente, tanta inversión no resultó bien. Diseñada por el excéntrico ingeniero holandés Carl Norden, la mira Norden se construyó para habilitar mayor precisión en los bombardeos. Implementaba 64 algoritmos diferentes en simultáneo, incluyendo uno que compensaba la rotación de la Tierra mientras la bomba caía. La mira Norden fue un secreto muy bien guardado en la guerra. Para evitar que la tecnología cayera en manos enemigas, los bombarderos estadounidenses llevaban un revólver exclusivamente para destruirlas en caso de un accidente. Pero a pesar del entusiasmo y la inversión, la mira Norden no funcionó como esperaban. Con más de 2000 partes, requería una precisión extrema para fabricarse. El problema con las computadoras analógicas es que son dispositivos que modelan el mundo real. Cualquier imprecisión en sus componentes se traduce en imprecisión en los cómputos. Y siempre que hay un error en la conexión entre las partes, si haces el mismo cálculo dos veces, no tendrás la misma respuesta exacta. En la campaña estadounidense contra Japón, los bombarderos que usaron la mira Norden no pudieron destruir infraestructura bélica importante. Finalmente, los Estados Unidos abandonaron sus intentos de precisión de bombardeo y en su lugar cubrieron ciudades japonesas enteras con napalm. Con el progreso de la guerra, las computadoras digitales ganaron tracción. Las máquinas digitales y electrónicas Colossus en Bletchley Park, Inglaterra, fueron claves para descifrar los códigos alemanes. En Estados Unidos, el ejército invirtió en una máquina digital costosa y muy compleja llamada ENIAC. Fue diseñada para acelerar el cálculo de las tablas de disparo de artillería. En aquel momento se computaban con analizadores diferenciales, las computadoras mecánicas analógicas basadas en el analizador de armónicos de Kelvin. Aunque no se terminaron hasta luego de la guerra, ENIAC demostró el poder de las computadoras digitales. Es considerada por muchos como la primera computadora moderna. Lo que realmente abrió la puerta a esta revolución digital fue el descubrimiento de Claude Shannon en su tesis de 1936. Demostró que cualquier operación numérica puede realizarse usando los bloques básicos de construcción del álgebra booleana. Dos valores, verdadero o falso, también anotados como 1 y 0, y tres operaciones: Y, O y NO. Esto hacía a las digitales máquinas de computación ideales y versátiles. En contraste, cada computadora analógica es análoga de solo un tipo de problema. Además, como las computadoras digitales operan mediante ceros y unos, son más resistentes al ruido. Hace falta un gran error para confundir un 1 con un 0 o viceversa. Mientras que incluso pequeños errores en las computadoras analógicas pueden crecer y finalmente cambiar el resultado. Hoy en día, todo es digital. Nuestros teléfonos, computadoras, centros de internet, hasta la televisión y la radio son transmitidos digitalmente. Las ventajas son obvias. Como los dispositivos digitales operan con símbolos, usualmente ceros y unos, nos proveen de respuestas exactas. Repites el cálculo y obtienes el mismo resultado y son resistentes al ruido. Además, como se requieren solo unos pocos componentes para realizar cualquier cálculo, esos componentes han sido miniaturizados y optimizados, lo que hace a las computadoras digitales las máquinas de computación universal ideales. Pensarías entonces que las computadoras analógicas quedaron atrás, reliquias del pasado distante. Pero las analógicas podrían estar volviendo. Hay proyectos trabajando activamente en computadoras analógicas. ¿Por qué sucede esto? ¿Cuál es el beneficio de lo analógico? Quería poner todo esto en un solo video, pero la historia es demasiado buena para comprimirla en 20 minutos, así que eso vendrá en una segunda parte. No olvides suscribirte para ser notificado cuando salga el video.