6.8: La Era de la Computadora

Las computadoras experimentales se desarrollaron por primera vez en la década de 1940, y adquirieron importancia comercial en la década de 1950. Desde entonces, se han involucrado cada vez más en casi todos los componentes de la tecnología.

Electrónica y Computadora

El desarrollo de la computadora ha tenido un efecto tan grande en la sociedad como cualquier avance de ingeniería anterior. Hoy en día, las computadoras están involucradas en todos los aspectos de nuestras vidas. Permiten la recuperación instantánea de información de cualquier parte del mundo. Ellos monitorean y controlan el desempeño de casi todos los sistemas mecánicos que utilizamos, incluidos automóviles, aviones, electrodomésticos; también controlan grandes sistemas como las redes de generación y distribución de energía eléctrica. Las computadoras hacen posible los teléfonos celulares e Internet. La computadora invade el trabajo creativo de los artistas; brinda oportunidades antes inimaginadas de relajación y entretenimiento; y ha cambiado drásticamente la forma en que ingenieros y científicos realizan su trabajo. En esta sección, revisamos brevemente las historias acopladas de la industria informática y electrónica.

Los avances en la tecnología informática dependieron de los desarrollos de la industria electrónica; en efecto, la potencia informática avanzada disponible a bajo costo hoy en día es consecuencia directa de las mejoras y avances en la tecnología de la electrónica. A partir de la década de 1910, y continuando a través de las décadas de 1950 y 1960, el tubo de vacío fue la tecnología principal utilizada para implementar dispositivos electrónicos como radios, televisores y otros innumerables inventos. Sin embargo, los tubos tenían varios inconvenientes: eran grandes, requerían grandes cantidades de energía y eran relativamente frágiles.

La mayoría de las computadoras pioneras diseñadas y construidas en la década de 1940 fueron construidas con tubos de vacío. Estas primeras computadoras eran mucho menos potentes que un microcontrolador típico que controla un moderno horno de microondas; los circuitos de estas primeras computadoras a menudo llenaban habitaciones enteras. La tecnología de tubos de vacío no era confiable—los tubos a menudo se quemaban y requerían reemplazos En 1951, Remington Rand Corporation entregó la primera computadora Univac I a la Oficina del Censo de Estados Unidos; eventualmente, más de 40 de estas computadoras se vendieron a un precio de más de 1 millón de dólares cada una. La imagen (Figura abajo) muestra un UNIVAC I. En 1952, International Business Machines (IBM) introdujo el IBM 701. En las décadas siguientes, tanto estas como otras compañías obtuvieron ganancias significativas diseñando y vendiendo grandes computadoras mainframe. (Remington Rand finalmente se convirtió en Sperry Rand, que más tarde se convirtió en Univac.) El diseño e implementación de computadoras empleó a miles de ingenieros; la mayoría de estos ingenieros fueron ingenieros eléctricos. IBM, con su gran personal de ventas y servicio, poseía alrededor del 70% del mercado de computadoras a fines de la década de 1950. Esta es una posición que mantuvieron hasta la década de 1970, cuando se introdujeron minicomputadoras y se cortaron drásticamente en la cuota de mercado propiedad de las computadoras mainframe.

Un UNIVAC que instalé en Franklin Life Insurance Company.

En 1948, John Bardeen (1908—1991), Walter Brattain (1902-1987) y William Shockley (1910—1989), tres investigadores de Bell Laboratories (un laboratorio de investigación de AT&T), inventaron el transistor. Fueron galardonados con el Premio Nobel por esta invención en 1956. El transistor realiza la misma función electrónica que un tubo de vacío, pero como está fabricado de silicio y metal y no requiere tubo de vidrio para contener un vacío, se puede hacer mucho más pequeño y físicamente más robusto que un tubo de vacío. Se necesitaba una cantidad significativa de investigación y desarrollo para que el transistor fuera comercialmente viable; a principios de la década de 1960, los transistores habían reemplazado a los tubos de vacío en la mayoría de los dispositivos electrónicos. Esto hizo posible el radio transistor portátil, por ejemplo.

Los transistores fueron ampliamente utilizados en el diseño y construcción de computadoras a fines de la década de 1950 y principios de 1960. La tecnología de transistores permitió que las computadoras fueran más pequeñas, más rápidas y usaran menos energía para operar.

Una segunda innovación electrónica que afectó drásticamente a las computadoras fue la invención del circuito integrado de forma independiente por Jack Kilby (1923—2005) de Texas Instruments y Robert Noyce (1927—1990) de Fairchild Semiconductor en 1958. El circuito integrado combinó muchos transistores en un solo chip de silicio. Los chips podrían fabricarse de manera económica y rápida y proporcionaban muchos beneficios a los diseñadores de computadoras, incluyendo computación más rápida, menor consumo de energía, menor tamaño físico y menores costos de producción.

Los circuitos integrados se utilizaron en el diseño de computadoras a partir de mediados de la década de 1960. Hicieron posible el desarrollo de la minicomputadora. Las primeras minicomputadoras fueron fabricadas por Digital Equipment Corporation. Otros fabricantes de minicomputadoras incluyeron Data General, Wang Laboratories, Apollo Computer y Prime Computer. En comparación con una computadora central típica, las minicomputadoras eran pequeñas (aproximadamente del tamaño de un escritorio pequeño) y baratas (costaban decenas de miles de dólares). La imagen (Figura abajo) muestra una minicomputadora PDP-12. Las minicomputadoras pusieron computadoras a disposición de empresas más pequeñas y laboratorios de investigación universitarios.

Una minicomputadora PDP-12 fabricada por Digital Equipment Corporation alrededor de 1970.

Por último, una nueva generación de computadoras personales fue posible gracias a la invención del microprocesador. Los microprocesadores se inventaron de forma independiente y aproximadamente al mismo tiempo en Texas Instruments e Intel en 1971. Un microprocesador es un procesador de computadora completo integrado en un solo chip. La imagen (Figura abajo) muestra un microprocesador Zilog Z80 que fue fabricado en 1976. Los microprocesadores permitían que las computadoras se construyeran lo suficientemente baratas como para que los aficionados pudieran permitirse construir sus propias computadoras. A mediados de la década de 1970, se fundaron varias empresas para suministrar computadoras y kits de computadora a aficionados. Apple Computer Co. fue uno de estos; Steve Jobs (1955—), su cofundador, rápidamente se dio cuenta de que la computadora podría ser utilizada por un mercado mucho más grande que los aficionados, y aumentó drásticamente el mercado de computadoras de gama baja. La siguiente imagen (Figura abajo) muestra una Apple II, la computadora que estableció a Apple como jugador en el mercado de computadoras. En 1981, IBM entró al mercado con la computadora personal IBM (IBM PC) y rápidamente se convirtió en el fabricante dominante de computadoras personales al comercializar a usuarios comerciales y gubernamentales; la PC de IBM también jugó un papel crucial en el establecimiento de una pequeña y nueva compañía llamada Microsoft.

Un microprocesador Zilog Z80 fabricado en 1976.

Una computadora Apple II fabricada alrededor de 1980.

Desde la invención del circuito integrado, las capacidades de la electrónica se han duplicado esencialmente cada dieciocho meses a dos años. Se trata de un fenómeno al que se le ha llamado Ley de Moore, que lleva el nombre de Gordon Moore (1929—), uno de los cofundadores de Intel. Esto ha dado como resultado la rápida evolución de la computadora hacia las poderosas máquinas de escritorio y portátiles de hoy en día. Los ingenieros han jugado un papel clave en esta evolución.

El desarrollo de la computadora ha afectado dramáticamente a la ingeniería, ya que tiene la mayor parte de la vida moderna. Las computadoras ahora son utilizadas por los ingenieros en todas las fases de su trabajo, especialmente el diseño y el análisis. El software de diseño asistido por computadora (CAD) se utiliza para crear diseños, que luego se pueden fabricar usando maquinaria controlada por computadora. Los ingenieros eléctricos utilizan herramientas CAD para diseñar nuevas computadoras y otros circuitos; el software permite a los ingenieros administrar la complejidad del diseño de circuitos que contienen más de mil millones de transistores. También se utilizan computadoras para analizar diseños. Por ejemplo, los ingenieros eléctricos utilizan simuladores de computadora para verificar que los diseños de circuitos operen correctamente. Los ingenieros mecánicos y civiles utilizan herramientas de análisis por computadora para calcular tensiones y estructuras para garantizar que las estructuras no fallarán.

El uso de computadoras para diseñar y construir computadoras aún más potentes ha creado un bucle de retroalimentación positiva. Este bucle de retroalimentación ha acelerado el desarrollo de la tecnología informática.

En muchos casos, nuevas arquitecturas y tecnología informática fueron inventadas por pequeñas empresas recién formadas que crecieron explosivamente una vez que comenzaron a comercializar sus productos. La evolución de la industria informática muestra repetidas ocurrencias de tecnología disruptiva. Una tecnología disruptiva se introduce típicamente en un nuevo mercado que actualmente no está siendo atendido por una tecnología existente. En este nuevo mercado, la tecnología se mejora hasta que es superior a la tecnología original. La tecnología mejorada comienza entonces a desplazar la tecnología original y los mercados originales. En las computadoras, la computadora personal es un ejemplo de tecnología disruptiva. Se introdujo originalmente para aficionados y usuarios domésticos, y no compitió inicialmente con mainframe y minicomputadoras más grandes. Sin embargo, a medida que la tecnología de las computadoras personales ha mejorado y madurado, ha reemplazado casi en su totalidad a las minicomputadoras y está comenzando a reemplazar a las computadoras mainframe para muchas aplicaciones.

Tipografía e Impresión Computarizada

El advenimiento de la computadora ha tenido un profundo efecto tanto en los procesos de composición tipográfica como de impresión. En cuanto a los procesos de impresión, la computadora ha comenzado a sustituir los métodos fotográficos que anteriormente se utilizaban para crear planchas de impresión. Inicialmente, la computadora enviaría a una impresora de películas; las películas se usarían entonces para crear planchas de impresión. Sin embargo, ahora con la tecnología directa a la plancha, la computadora crea las planchas de impresión directamente.

Las computadoras han tenido un efecto aún mayor en todos los aspectos de la composición tipográfica. La llegada de los procesadores de texto y el software de autoedición han hecho posible que la mayoría de los usuarios de computadoras creen documentos que tienen muchas de las características de los documentos tipográficos. Los primeros procesadores de texto permitían que una computadora creara documentos con la misma calidad de salida que la producida con una máquina de escribir: todos los caracteres tenían el mismo ancho y solo estaba disponible una fuente. (El procesador de textos sí permitió la edición del contenido antes de que se imprimiera el documento, lo que constituyó un avance significativo sobre la máquina de escribir). La complejidad de los procesadores de texto aumentó rápidamente, y los procesadores de texto implementaron características como fuentes de ancho variable, WYSIWYG (lo que ve es lo que obtiene) e impresión en dispositivos de salida de mayor resolución como impresoras láser e impresoras de inyección de tinta. Estas características permitieron a los usuarios crear documentos que se veían bastante similares a los que estaban tipografiados profesionalmente; sin embargo, hay muchas características del texto tipografiado profesionalmente que los procesadores de texto no pueden duplicar. Desafortunadamente, las limitaciones inherentes a estos programas en realidad han disminuido la calidad de composición tipográfica de gran parte del material que se imprime hoy en día; las capacidades de los programas de computadora para hacer composición tipográfica apenas comienzan a acercarse a la calidad alcanzable por un tipográfico experto.

El Boeing 777

El primer vuelo de avión propulsado por los hermanos Wright en 1903 inició una secuencia de ingeniería e innovación técnica que ha llevado a los modernos aviones comerciales y militares de hoy en día. Los avances significativos a lo largo de este camino incluyen

• El desarrollo de motores confiables y potentes. Inicialmente, estos motores eran motores de pistón propulsados por gasolina; en la década de 1940, se desarrollaron motores a reacción y desde entonces se han mejorado para crear los motores turbofan altamente eficientes de hoy en día.
• El desarrollo de nuevos materiales de construcción. Inicialmente, los aviones estaban hechos de madera y tela; el desarrollo de aleaciones metálicas ligeras y fuertes, y más recientemente el desarrollo de nuevos materiales compuestos, ha permitido que los aviones se hagan más grandes, transporten cargas útiles más grandes y usen combustible de manera más eficiente.
• El desarrollo de instrumentación electrónica y actuadores. La instrumentación permite a los aviones navegar en casi cualquier condición climática; los aviones modernos de hoy incluyen pilotos automáticos que controlan el avión y navegan automáticamente a un destino determinado.
• El desarrollo de una infraestructura aérea civil. Los aeropuertos, con sus terminales que permiten el abordaje rápido y eficiente de los aviones y el manejo del equipaje, hacen posible el tráfico aéreo comercial de pasajeros.

El diseño e implementación de un avión moderno es una tarea de ingeniería enorme, involucrando a miles de ingenieros en un esfuerzo global de diseño e implementación. Para ilustrar la práctica moderna de la ingeniería en la industria aeroespacial, consideraremos el diseño del Boeing 777.

El 7 de junio de 1995, el primer Boeing 777 en transportar pasajeros que pagaban despegó del aeropuerto londinense de Heathrow. Este hito fue la culminación de más de seis años de trabajo y varios miles de millones de dólares para desarrollar y diseñar el nuevo avión. La imagen (Figura abajo) muestra un aterrizaje de Boeing 777.

Un Boeing 777 aterrizando en el aeropuerto de Heathrow.

El desarrollo del Boeing 777 comenzó a mediados de la década de 1980. En este momento, los clientes de Boeing (principales aerolíneas como United, American, Delta, British Airways, etc.) indicaron que tenían necesidades que no fueron satisfechas por los aviones de Boeing que estaban disponibles en ese momento. Boeing consideró modificar el diseño del 767, pero para 1989, se hizo evidente que esto no cubriría las necesidades de sus clientes. Así, comenzaron el desarrollo de un nuevo avión—el 777.

El 777 es uno de los aviones más complejos jamás diseñados. Cuenta con más de 130,000 piezas diferentes que son fabricadas por cientos de empresas en todo el mundo. El diseño del 777 abrió nuevos caminos de muchas maneras: incluyó una participación significativa del cliente desde el principio, utilizó equipos de construcción de diseño, el software CADD se utilizó ampliamente e incluyó la implementación del primer sistema fly-by-wire de Boeing para un avión comercial.

Boeing incluyó a clientes potenciales en su proceso de diseño desde el principio. Representantes de las principales aerolíneas proporcionaron a Boeing requisitos al principio del proceso de diseño. Estos representantes de aerolíneas también sirvieron en los equipos de diseño y construcción de Boeing.

Boeing desarrolló el concepto del equipo de diseño-construcción para el 777. En los esfuerzos de diseño de aviones anteriores al 777, los ingenieros diseñaron componentes; sus diseños se pasaron luego a grupos de manufactura, quienes tenían la responsabilidad de implementar los diseños. Esto a menudo era ineficaz, porque los ingenieros de diseño no tenían en cuenta las limitaciones de fabricación en sus diseños. Un equipo de diseño y construcción incluyó tanto ingenieros de diseño como ingenieros de fabricación, por lo que las preocupaciones de fabricación se abordaron en la fase de diseño. Los equipos de diseño y construcción también contaban con miembros de las principales aerolíneas; los representantes de las aerolíneas podrían, por ejemplo, proporcionar información sobre sus prácticas de mantenimiento para asegurar que el avión pudiera ser atendido y reparado. Los equipos de diseño y construcción incluyeron miembros de empresas subcontratantes que se aseguraron de que hubiera una comunicación clara entre los ingenieros de diseño de Boeing y las empresas más pequeñas que fabricarían muchos de los componentes 777.

Otro aspecto del proceso de diseño 777 fue el uso de sofisticadas herramientas CADD. Previo al 777, como se diseñaban los aviones, el diseño se verificó con “maquetas”. Una maqueta es un prototipo físico cuyo propósito es asegurar que todo encaje correctamente. Entonces, por ejemplo, se ajustaron haces de cables y líneas hidráulicas a la maqueta, y luego tuvieron que volver a ajustarse cuando se ensambló el primer plano.

En el proceso de diseño 777, por otro lado, se utilizó un sofisticado sistema CADD; el uso de este sistema eliminó la necesidad de la mayoría de las maquetas, y los primeros 777 aviones ensamblados en realidad podrían ser volados. Este sistema incluía dos componentes. El primero fue Computer Graphics Aided Three-D Interface Application (CATIA), que se utilizó para diseñar cada pieza. El segundo fue el Premontaje Electrónico En la Computadora (EPIC), que se utilizó para asegurar que cada pieza diseñada encajara correctamente con todas las demás partes de la aeronave; el software descubrió dónde, por ejemplo, un componente estructural particular interferiría con las líneas hidráulicas. El sistema CAD permitió a los ingenieros comunicar sus diseños entre sí a través de equipos de diseño y construcción para asegurarse de que los diseños, a medida que fueron desarrollados, fueran compatibles entre sí.

No sólo la tecnología informática era esencial para el diseño del 777, es esencial para el sistema de control 777, que es basado en computadora. En diseños anteriores de aviones Boeing, los controles de los pilotos estaban conectados por cables a actuadores hidráulicos que causaban que las superficies de control se movieran. Por el contrario, en el diseño 777, los movimientos de control de los pilotos se introducen en un sistema informático que determina las señales eléctricas para enviar por cables a los actuadores. Este sistema fly-by-wire ahorra costos y peso significativos, pero requiere sistemas informáticos sofisticados y confiables para controlar el avión en respuesta a las entradas de los pilotos. El sistema fly-by-wire permite que el 777 sea volado por una tripulación de sólo dos (un piloto y un copiloto); sin el sistema, se requeriría una tripulación mucho más grande. La imagen (Figura abajo) muestra la cabina del Boeing 777. El desarrollo del sistema 777 fly-by-wire requirió escribir y depurar millones de líneas de código de computadora.

La cabina del Boeing 777. Tenga en cuenta que la mayor parte de la información de vuelo se muestra en varias pantallas operadas

El desarrollo del 777 es otro ejemplo de cómo el avance de la tecnología informática ha cambiado drásticamente la forma en que trabajan los ingenieros. El uso de CAD para capturar diseños y simular las características estructurales y mecánicas ha reducido drásticamente el tiempo y los gastos asociados a un proyecto de diseño. Además, el uso de redes informáticas para comunicar información de diseño ha hecho posible que ingenieros que se encuentran en muchos países diferentes colaboren en un mismo proyecto.