У нашай апісваўся росквіт аўтаматычных тэлефонных камутатараў, якімі кіравалі з дапамогай рэлейных схем. На гэты раз мы жадаем распавесці аб тым, як навукоўцы і інжынеры распрацоўвалі рэлейныя схемы ў першым – зараз ужо забытым – пакаленні лічбавых кампутараў.
Рэле ў зеніце
Калі падушыце, праца рэле заснавана на простым прынцыпе: электрамагніт аперуе металічным перамыкачом. Ідэю рэле ў 1830-х незалежна сябар ад сябра прапанавалі некалькі прыродазнаўцаў і прадпрымальнікаў у сферы тэлеграфнага бізнэсу. Затым у сярэдзіне XIX стагоддзі вынаходнікі і механікі ператварылі рэле ў надзейны і незаменны кампанент тэлеграфных сетак. Менавіта ў гэтай сферы жыццё рэле дасягнула зеніту: яго мініяцюрызавалі, а пакаленні інжынераў стварылі незлічоную мноства канструкцый, фармальна навучаючыся матэматыцы і фізіцы.
У пачатку XX стагоддзі не толькі аўтаматычныя камутацыйныя сістэмы, але і практычна ўсё абсталяванне тэлефонных сетак утрымоўвала ў сабе тыя ці іншыя выгляды рэле. Адно з найболей ранніх ужыванняў у тэлефоннай сувязі ставіцца да 1870-м, у ручных камутатарах. Калі абанент круціў дзяржальню тэлефона (ручку магнета), на тэлефонную станцыю паступаў сігнал, улучальны бленкер. Бленкер - гэта рэле, пры спрацоўванні якога на камутацыйным стале ў тэлефоннага аператара падала металічная засланка, што казала аб паступленні ўваходнага выкліку. Тады паненка-аператар устаўляла штэкер у раз'ём, рэле скідалася, пасля чаго можна было зноў падняць засланку, якую ў такім становішчы ўтрымліваў электрамагніт.
Да 1924-га, як пісалі два інжынеры кампаніі Bell, тыповая ручная тэлефонная станцыя абслугоўвала каля 10 тысяч абанентаў. У яе абсталяванні змяшчалася 40-65 тысяч рэле, чыя сумарная магнітная сіла была "дастатковая для ўзняцця 10 тон". У вялікіх тэлефонных станцыях з машыннымі камутатарамі гэтыя характарыстыкі памнажаліся на два. Ва ўсёй тэлефоннай сістэме ЗША выкарыстоўваліся шматлікія мільёны рэле, і іх колькасць стала павялічвалася па меры аўтаматызацыі тэлефонных станцый. Адно тэлефоннае злучэнне маглі абслугоўваць ад адзінак да некалькіх сотняў рэле – у залежнасці ад колькасці і абсталяванасці ўцягнутых тэлефонных станцый.
Фабрыкі кампаніі Western Electric, вытворчай структуры карпарацыі Bell, выпускалі вялізны асартымент рэле. Інжынеры стварылі столькі мадыфікацый, што гэтай разнастайнасці пазайздросцілі б самыя спрактыкаваныя сабакаводы ці галубятнікі. Хуткасць працы і адчувальнасць рэле аптымізаваліся, памеры памяншаліся. У 1921-м Western Electric зрабіла амаль 5 мільёнаў рэле ста асноўных тыпаў. Самым масавым было ўніверсальнае рэле Type E, плоская, практычна прастакутная прылада, якое важыла некалькі дзясяткаў грамаў. Па большай частцы яно выраблялася са штампаваных металічных частак, т. е. было тэхналагічным у вытворчасці. Корпус абараняў кантакты ад пылу і наведзеных токаў ад суседніх прылад: звычайна рэле мантаваліся ўшчыльную сябар да сябра, у стойкі з сотнямі і тысячамі рэле. Усяго было распрацавана 3 варыянтаў Type E, кожны з якіх адрозніваўся канфігурацыямі намоткі і кантактаў.
Неўзабаве гэтыя рэле пачалі выкарыстоўваць у найболей складаных камутатарах.
Каардынатны камутатар
У 1910 годзе ў Готхільфа Бетуландэра (Gotthilf Betulander), інжынера Royal Telegrafverket – дзяржаўнай карпарацыі, якая кантралявала большую частку шведскага тэлефоннага рынку (на працягу дзесяцігоддзяў – амаль увесь), – узнікла ідэя. Ён верыў, што можа вельмі моцна палепшыць эфектыўнасць аперацый Telegrafverket за рахунак будаўніцтва аўтаматычных камутацыйных сістэм, цалкам заснаваных на рэле. Дакладней, на рэлейных матрыцах: рашотках са сталёвых прутоў, падлучаных да тэлефонных ліній, з рэле ў месцах скрыжавання прутоў. Такі камутатар павінен працаваць хутчэй, надзейней і быць прасцей у абслугоўванні ў параўнанні з сістэмамі на аснове слізгальных ці якія верцяцца кантактаў.
Больш за тое, Бэтуландэр прыдумаў, што можна вылучыць часткі сістэмы, якія адказваюць за выбар і злучэнне, у незалежныя рэлейныя схемы. А астатняя частка сістэмы павінна выкарыстоўвацца толькі для ўсталёўкі маўленчага канала, а затым вызваляцца для абслугоўвання іншага выкліку. Гэта значыць Бетуландэр прыйшоў да ідэі, якую пазней назвалі «агульнае кіраванне» (common control).
Схему, якая захоўвае нумар уваходнага выкліку, ён назваў "рэкордэр" (іншы тэрмін - рэгістр). А схему, якая знаходзіць у рашотцы і "пазначае" даступнае падлучэнне, назваў "маркер". Аўтар запатэнтаваў сваю сістэму. Некалькі такіх станцый з'явілася ў Стакгольме і Лондане. А ў 1918-м Бетуландэр даведаўся аб амерыканскім новаўвядзенні: каардынатным камутатары, створаным інжынерам Bell Джонам Рэйнальдсам пяць гадоў таму. Гэты камутатар вельмі быў падобны на распрацоўку Бетуландэра, але ў ім выкарыстоўвалася. п + м рэле для абслугоўвання п + м вузлоў матрыцы, што было значна зручней для далейшага пашырэння тэлефонных станцый. Пры ўсталёўцы злучэння ўтрымлівальная рэйка заціскала "пальцы" з раяльных струн, а выбіральная рэйка перамяшчалася па матрыцы для злучэння з іншым выклікам. На наступны год Бетуландэр укараніў гэтую ідэю ў канструкцыю свайго камутатара.
Але большасць інжынераў лічылі тварэнне Бетуландэра дзіўным і залішне складаным. Калі прыйшоў час выбіраць камутацыйную сістэму для аўтаматызацыі сетак найбуйных шведскіх гарадоў, Telegrafverket аддала перавагу канструкцыі, распрацаванай у кампаніі Ericsson. Камутатары Бетуландэра выкарыстоўваліся толькі ў невялікіх тэлефонных станцыях у сельскай мясцовасці: рэле былі надзейней матарызаванай аўтаматыкі камутатараў Ericsson і не патрабавалі абслуговых тэхнікаў на кожнай станцыі.
Аднак амерыканскія тэлефонныя інжынеры мелі іншае меркаванне на гэты конт. У 1930-м адмыслоўцы Bell Labs прыехалі ў Швецыю і былі "вельмі ўражаныя параметрамі каардынатнага камутацыйнага модуля". Вярнуўшыся, амерыканцы неадкладна пачалі працаваць над тым, што потым стала вядома як "каардынатная сістэма № 1", якая замяніла панэльныя камутатары ў вялікіх гарадах. Да 1938-га дзве такія сістэмы былі ўсталяваныя ў Нью-Ёрку. Неўзабаве яны ператварыліся ў стандартнае абсталяванне для гарадскіх тэлефонных станцый, пакуль больш за праз 30 гадоў ім на змену не дашлі электронныя камутатары.
Самым цікавым кампанентам каардынатнага камутатара № 1 стаў новы, больш складаны маркер, распрацаваны ў Bell. Ён прызначаўся для пошуку вольнага маршруту ад задзірлівага да выкліканага праз некалькі злучаных сябар з сябрам каардынатных модуляў, дзякуючы чаму стваралася тэлефоннае падлучэнне. Таксама маркер павінен быў тэставаць кожнае злучэнне на стан "свабодна"/"занята". Гэта патрабавала прымянення ўмоўнай логікі. Як напісаў гісторык Роберт Чапіус (Robert Chapuis):
Выбар умоўны, таму што вольнае злучэнне ўтрымліваецца толькі ў тым выпадку, калі яно забяспечвае доступ да каардынатнай рэйкі, у якой у якасці выйсця ёсць вольнае злучэнне з наступным узроўнем. Калі некалькі набораў злучэнняў задавальняюць патрэбным умовам, то "прыярытэтная логіка" (preferential logic) выбірае адно з [існуючых] самых малалікіх злучэнняў…
Каардынатны камутатар - выдатны прыклад узаемнага ўзбагачэння тэхналагічных ідэй. Бетуландэр стварыў свой цалкам рэлейны камутатар, затым палепшыў яго камутуюцца матрыцай Рэйнальдса і даказаў працаздольнасць атрыманай канструкцыі. Інжынеры AT&T пазней перапрацавалі гэты гібрыдны камутатар, палепшылі яго і стварылі каардынатную сістэму № 1. Затым гэтая сістэма стала кампанентам двух ранніх вылічальных машын, адна з якіх цяпер вядомая як вяха ў гісторыі вылічальнай тэхнікі.
Матэматычныя вылічэнні (Mathematical labor)
Каб зразумець, як і чаму рэле і іх электронныя стрыечныя браты дапамаглі здзейсніць рэвалюцыю ў вылічальнай тэхніцы, нам спатрэбіцца кароткі экскурс у свет матэматычных вылічэнняў. Пасля яго стане зразумела, чаму ўзнік схаваны попыт на аптымізаванне вылічальных працэсаў.
Да пачатку XX стагоддзі ўся сістэма сучаснай навукі і інжынерыі грунтавалася на працы тысяч людзей, якія выконвалі матэматычныя разлікі. Яны называліся кампутарамі (computers) [Каб не ўзнікала блытаніны, далей па тэксце будзе выкарыстоўвацца тэрмін вылічальнікі. - Заўваж. зав.]. Яшчэ ў 1820-х Чарльз Бэбідж стварыў (хоць у яго апарата былі ідэйныя папярэднікі). Яе галоўнай задачай была аўтаматызацыя пабудовы матэматычных табліц, напрыклад для навігацыі (вылічэнне трыганаметрычных функцый полиноминальными апраксімяцыямі пры 0 градусаў, 0,01 градуса, 0,02 градуса і т. д.). Таксама вялікі попыт на матэматычныя вылічэнні быў у астраноміі: патрабавалася апрацоўваць волкія вынікі тэлескопных назіранняў у фіксаваных абласцях нябеснай сферы (а залежнасці ад часу і даты назіранняў) або вызначаць арбіты новых аб'ектаў (напрыклад, каметы Галлея).
З часоў Бэбіджа патрэба ў вылічальных машынах вырасла шматкроць. Электраэнергетычных кампаніям трэба было зразумець паводзіны магістральных сістэм энергаперадачы з вельмі складанымі дынамічнымі ўласцівасцямі. Гарматы з бессямераўскай сталі, здольныя закідваць снарады за гарызонт (а значыць, дзякуючы непасрэднаму назіранню мэты яны ўжо не наводзіліся), патрабавалі ўсё больш дакладных балістычных табліц. Новыя статыстычныя інструменты, якія мелі на ўвазе вялікі аб'ём матэматычных вылічэнняў (напрыклад, метад найменшых квадратаў), усё шырэй выкарыстоўваліся як у навуцы, так і ў які расце дзяржаўным апараце. Ва ўніверсітэтах, урадавых установах і прамысловых карпарацыях з'яўляліся вылічальныя аддзелы, у якія звычайна набіралі жанчын.
Механічныя калькулятары толькі аблегчылі задачу вылічэнняў, а не вырашылі яе. Калькулятары паскорылі арыфметычныя аперацыі, але любыя складаныя навуковыя ці інжынерныя задачы патрабавалі сотняў ці тысяч аперацый, кожную з якіх вылічальнік (чалавек) павінен быў выканаць уручную, старанна запісваючы ўсе прамежкавыя вынікі.
З'яўленню новых падыходаў да праблемы матэматычных вылічэнняў садзейнічала некалькі фактараў. Маладыя навукоўцы і інжынеры, якія пакутліва аблічвалі па начах свае задачы, хацелі даць адпачынак рукам і вачам. Кіраўнікі праектаў вымушаныя былі выкладваць усё больш грошай на заробкі шматлікім вылічальнікам, асабліва пасля Першай сусветнай. Нарэшце, шматлікія перадавыя навуковыя і інжынерныя задачы з вялікай працай паддаваліся ручному вылічэнні. Усе гэтыя фактары прывялі да стварэння серый вылічальных машын, праца над якімі вялася пад кіраўніцтвам Вэнівара Буша (Vannevar Bush) – інжынера-электратэхніка з Масачусецкага тэхналагічнага інстытута (MIT).
Дыферэнцыяльны аналізатар
Да гэтага моманту гісторыя часта была абязлічаная, але зараз мы станем больш казаць аб пэўных людзях. Слава абыйшла бокам стваральнікаў панэльнага камутатара, рэле Type E і схемы каардынатнага маркера. Аб іх не захавалася нават біяграфічных анекдотаў. Адзіныя агульнадаступныя сведчанні іх жыцця - выкапні астанкі створаных імі машын.
Цяпер мы можам атрымаць больш глыбокае ўяўленне пра людзей і іх мінулае. Але мы больш не сустрэнем тых, хто ўпарта працаваў на гарышчах і ў майстэрнях у сябе дома - Морзэ і Вейла, Бэла і Уотсана. Да канца Першай сусветнай эра гераічных вынаходнікаў амаль завяршылася. Томаса Эдысана можна лічыць пераходнай фігурай: у пачатку кар'еры ён быў наёмным вынаходнікам, а да яе канца стаў уладальнікам "фабрыкі вынаходстваў". Да таго часу распрацоўка самых прыкметных новых тэхналогій стала вотчынай арганізацый - універсітэтаў, даследчых падраздзяленняў карпарацый, урадавых лабараторый. Людзі, пра якіх мы будзем казаць у гэтым раздзеле, якраз і належалі да падобных арганізацый.
Напрыклад, Вэнівар Буш. Ён прыбыў у MIT у 1919-м, калі яму было 29 гадоў. Крыху больш за 20 гадоў ён увайшоў у лік людзей, якія паўплывалі на ўдзел ЗША ў Другой сусветнай, і дапамог павялічыць дзяржаўнае фінансаванне, што назаўжды змяніла ўзаемаадносіны паміж урадам, акадэмічным асяроддзем і развіццём навукі і тэхналогій. Але ў рамках артыкула нас цікавіць серыя машын, якія распрацоўваліся ў лабараторыі Буша з сярэдзіны 1920-х і прызначаліся для вырашэння праблемы матэматычных вылічэнняў.
MIT, нядаўна пераехаў з цэнтральнага Бостана на набярэжную ракі Чарльза ў Кембрыджы, быў цесна звязаны з патрэбамі прамысловасці. Сам Буш у дадатак да прафесарскай дзейнасці меў фінансавыя інтарэсы ў некалькіх прадпрыемствах у сферы электронікі. Так што вас не павінен дзівіць той факт, што праблема, якая прывяла Буша і яго студэнтаў да працы над новай вылічальнай прыладай, узнікла ў энергетычнай прамысловасці: спатрэбілася змадэляваць паводзіны магістральных ЛЭП ва ўмовах пікавых нагрузак. Відавочна, што гэта было толькі адно з шматлікіх магчымых ужыванняў вылічальных машын: стомныя матэматычныя разлікі вяліся паўсюдна.
Буш і яго калегі спачатку пабудавалі дзве машыны, названыя прадукцыйнымі інтэграфамі (product integraphs). Але найболей вядомай і ўдалай машынай MIT стала іншая дыферэнцыяльны аналізатар, завершаны ў 1931-м. Ён вырашаў праблемы з перадачай электраэнергіі, вылічаў арбіты электронаў, траекторыі касмічнага выпраменьвання ў магнітным полі Зямлі і шматлікае іншае. Даследнікі па ўсім свеце, якім патрабаваліся вылічальныя магутнасці, у 1930-х стварылі дзясяткі дзід і варыянтаў дыферэнцыяльнага аналізатара. Некаторыя нават з Meccano (ангельскага аналогу амерыканскіх дзіцячых канструктараў маркі ).
Дыферэнцыяльны аналізатар - гэта аналагавы кампутар. Матэматычныя функцыі вылічаліся з дапамогай якія круцяцца металічных стрыжняў, хуткасць кручэння кожнага з якіх адлюстроўвала нейкае колькаснае значэнне. Матор прыводзіў у дзеянне незалежны стрыжань зменную (звычайна ён уяўляў сабой час), той, у сваю чаргу, пасродкам механічных злучэнняў круціў іншыя стрыжні (розныя дыферэнцыяльныя зменныя), і на падставе ўваходнай хуткасці кручэння вылічалася функцыя. Вынікі вылічэнняў маляваліся на паперы ў выглядзе крывых. Самымі важнымі кампанентамі былі інтэгратары – колы, якія круціліся дыскамі. Інтэгратары маглі вылічаць інтэграл крывой без стомных ручных разлікаў.
Дыферэнцыяльны аналізатар. Інтэгральны модуль - з паднятым вечкам, з боку акна размешчаны сталы з вынікамі вылічэнняў, а пасярэдзіне - комплекс вылічальных стрыжняў
Ніводны з кампанентаў аналізатара не ўтрымоўваў дыскрэтных пераключалых рэле або нейкіх лічбавых перамыкачоў. Дык навошта мы расказваем пра гэтую прыладу? Адказ дае чацвёртая машына сямейства.
У пачатку 1930-х Буш пачаў абходжваць Фонд Ракфелера, каб атрымаць фінансаванне для далейшага развіцця аналізатара. Уорэна Уівера (Warren Weaver), кіраўніка аддзела прыродазнаўчых навук фонду, спачатку пераканаць не ўдалося. Інжынерыя не ўваходзіла ў яго кампетэнцыю. Аднак Буш разрэкламаваў бязмежны патэнцыял сваёй новай машыны адносна навуковых ужыванняў – асабліва ў матэматычнай біялогіі, каханым праекце Уівера. Таксама Буш абяцаў шматлікія паляпшэнні аналізатара, у тым ліку «магчымасць хутка перамыкаць аналізатар з адной праблемы на іншую, як тэлефонны камутатар». У 1936-м яго намаганні былі ўзнагароджаны грантам у 85 тысяч долараў, выдзеленым на стварэнне новай прылады, якую пазней назвалі дыферэнцыяльным аналізатарам Ракфелера.
У якасці практычнага вылічальніка гэты аналізатар не быў выбітным прарывам. Буш, які стаў віцэ-прэзідэнтам MIT і дэканам інжынернага факультэта, не мог надаць шмат часу кіраўніцтву распрацоўкай. Фактычна неўзабаве ён самаўхіліўся, заняўшыся абавязкамі старшыні Інстытута Карнегі ў Вашынгтоне. Буш адчуваў набліжэнне вайны, і ў яго было некалькі навуковых і вытворчых ідэй, якія маглі паслужыць патрэбам узброеных сіл. Гэта значыць, ён хацеў знаходзіцца бліжэй да цэнтра сіл, дзе мог бы больш эфектыўна ўплываць на вырашэнне тых ці іншых пытанняў.
У той жа час тэхнічныя праблемы, якія дыктуюцца новай канструкцыяй, вырашалі супрацоўнікі лабараторыі, і неўзабаве іх пачалі адцягваць увагу для працы над ваеннымі задачамі. Ракфелераўская машына была завершана толькі ў 1942-м. Ваенныя палічылі яе карыснай для струменевага вытворчасці балістычных табліц для артылерыі. Але неўзабаве гэта прылада засланілі чыста лічбавыя кампутары - уяўлялыя лікі не ў якасці фізічных велічынь, а абстрактна, з дапамогай пазіцый перамыкачоў. Так ужо атрымалася, што ў самім аналізатары Ракфелера выкарыстоўвалася даволі шмат падобных перамыкачоў, якія складаюцца з рэлейных схем.
Шэнан
У 1936-м Клоду Шэнану было ўсяго 20 гадоў, але ён ужо скончыў Мічыганскі ўніверсітэт са ступенню бакалаўра па двух спецыяльнасцях: электратэхніцы і матэматыцы. У MIT яго прывёў рэкламны лісток, прышпілены да дошкі аб'яваў. Вэнівар Буш шукаў новага асістэнта для працы над дыферэнцыяльным аналізатарам. Шэнан без ваганняў падаў заяўку і неўзабаве пачаў працаваць над свежымі праблемамі, і толькі пасля гэтага новая прылада стала набываць форму.
Шэнан зусім не быў падобны на Буша. Ён не быў ні бізнэсмэнам, ні будаўніком акадэмічнай імперыі, ні адміністратарам. Усё жыццё ён любіў гульні, галаваломкі і забаўкі: шахматы, жангліраванне, лабірынты, крыптаграмы. Як і многія мужчыны яго эпохі, падчас вайны Шэнан прысвяціў сябе сур'ёзнай справе: займаў у Bell Labs пасаду па ўрадавым кантракце, што абараніла яго крохкае цела ад ваеннага прызыву. Яго даследаванні па кіраванні стральбой і крыптаграфіі ў той перыяд прывялі, у сваю чаргу, да з'яўлення асноватворнай працы па тэорыі інфармацыі (мы не будзем яе дакранацца). У 1950-х, калі вайна і яе наступствы аціхлі, Шэнан вярнуўся да выкладання ў MIT, марнуючы вольны час на забаўкі: калькулятар, які працуе выключна з рымскімі лічбамі; машына, пры ўключэнні якой з яе з'яўлялася механічная рука і адключала машыну.
Структура Ракфелераўскай машыны, з якой сутыкнуўся Шэнан, лагічна засталася такой жа, як у аналізатара 1931-го гады, але яна была пабудавана з зусім іншых фізічных кампанентаў. Буш зразумеў, што стрыжні і механічныя перадачы ў старых машынах змяншалі эфектыўнасць ад іх выкарыстання: каб выканаць вылічэнні, патрабавалася наладзіць машыну, на што сыходзіла шмат чалавека-гадзін працы кваліфікаваных механікаў.
Новы аналізатар страціў гэты недахоп. У аснове яго канструкцыі быў не стол са стрыжнямі, а каардынатны камутатар - лішні прататып, ахвяраваны Bell Labs. Замест перадачы магутнасці ад цэнтральнага вала кожны інтэгральны модуль незалежна прыводзіўся ў дзеянне электраматорам. Для наладкі машыны на рашэнне новай задачы дастаткова было проста сканфігураваць рэле ў каардынатнай матрыцы, каб злучыць інтэгратары ў патрэбнай паслядоўнасці. Счытвальнік перфастужкі (запазычаны з іншай тэлекамунікацыйнай прылады, рулоннага тэлетайпа) счытваў канфігурацыю машыны, а рэлейная схема пераўтварала сігнал са стужкі ў кіравальныя сігналы для матрыцы – гэта было падобна на ўсталяванне серыі тэлефонных выклікаў паміж інтэгратарамі.
Новая машына не толькі была значна хутчэй і прасцей у наладзе, але і працавала хутчэй і дакладней, чым яе папярэднік. Яна магла рашаць больш складаныя задачы. Сёння гэты кампутар можна палічыць прымітыўным, нават экстравагантным, але тады ён здаваўся назіральнікам нейкім вялікім - ці, магчыма, жудасным - працавальным розумам:
Па сутнасці, гэта матэматычны робат. Прыводны электрычнасцю ў дзеянне аўтамат, створаны не проста для таго, каб зняць з чалавечага мозгу цяжар цяжкіх вылічэнняў і аналізу, але і для таго, каб накінуцца на матэматычныя задачы, не падуладныя разумоваму рашэнню, і вырашыць іх.
Шэнан сканцэнтраваўся на пераўтварэнні дадзеных з папяровай стужкі ў інструкцыі для «мозгу», і за гэтую аперацыю адказвала рэлейная схема. Ён звярнуў увагу на адпаведнасць паміж структурай схемы і матэматычнымі структурамі булевай алгебры, якую ён вывучаў у выпускным класе ў Мічыгане. Гэта алгебра, чыімі аперандамі былі ПРАЎДА і ХЛУСНЯ, А аператарамі - І, АБО, НЕ і т. д. Алгебра, якая адпавядала лагічным сцвярджэнням.
Выдаткаваўшы лета 1937-го на працу ў Bell Labs на Манхэтэне (ідэальнае месца для разважанняў над рэлейнымі схемамі), Шэнан напісаў магістарскую дысертацыю пад назовам "Сімвалічны аналіз рэлейных і камутацыйных схем" (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Нараўне з працай Алана Цьюрынга, створанай за год да гэтага, дысертацыя Шэнана сфармавала падмурак навукі вылічальных машын.
У 1940—1950-х Шэнан пабудаваў некалькі вылічальных/лагічных машын: калькулятар з рымскім вылічэннем THROBAC, машыну для шахматных эндшпіляў, а таксама Theseus — лабірынт, па якім ездзіла электрамеханічная мыш (на фота)
Шэнан выявіў, што сістэму раўнанняў пропозициональной логікі можна напроста механістычна пераўтварыць у фізічную схему рэлейных перамыкачоў. Ён заключыў: «Фактычна любую аперацыю, якая можа быць апісана канчатковай колькасцю крокаў з выкарыстаннем слоў КАЛІ, І, АБО і т. д., можна аўтаматычна выканаць з дапамогай рэле». Напрыклад, два кіраваных рэле перамыкача, злучаныя паслядоўна, фармуюць лагічнае И: ток будзе цечу па галоўным провадзе толькі тады, калі абодва электрамагніта актываваны на зачыненне перамыкачоў. У той жа час два рэле, злучаныя паралельна, фармуюць АБО: ток цячэ па галоўнай схеме, актываваны адным з электрамагнітаў. Выходныя дадзеныя такой лагічнай схемы могуць, у сваю чаргу, кіраваць электрамагнітамі іншых рэле, каб атрымаць больш складаныя лагічныя аперацыі накшталт (А И Б) або (У И Г).
Шэнан завяршыў дысертацыю дадаткам з некалькімі прыкладамі схем, створаных па яго метадзе. Паколькі аперацыі булевай алгебры вельмі падобныя на арыфметычныя аперацыі ў двайковай сістэме (т. е. з выкарыстаннем двайковых лікаў), ён паказаў, як можна сабраць з рэле "электрычны суматар у двайковай сістэме" - мы завём гэта двайковым суматарам. Некалькі месяцаў праз адзін з навукоўцаў Bell Labs зрабіў такі суматар на кухонным стале.
Шцібіц
Джордж Шцібіц (George Stibitz), даследчык з матэматычнага аддзела штаб-кватэры Bell Labs на Манхэтэне, цёмным лістападаўскім вечарам 1937-га прынёс дадому дзіўны набор абсталявання. Сухія акумулятарныя вочкі, дзве маленькія лямпачкі для апаратных шчытоў і пару плоскіх рэле Type U, знойдзеных у смеццевым баку. Дадаўшы некалькі правадоў і сякая-такая халусце, ён сабраў прыладу, якое магло складаць два аднаразрадных двайковых ліку (якія прадстаўляюцца з дапамогай наяўнасці або адсутнасці ўваходнай напругі) і выводзіць двухразрадны лік з дапамогай лямпачак: адзінка - уключана, нуль - выключана.
Двайковы суматар Шцібіца
Шцібіца, фізіка па адукацыі, папрасілі ацаніць фізічныя ўласцівасці рэлейных магнітаў. Раней ён наогул не меў досведу працы з рэле і таму пачаў з вывучэння іх выкарыстання ў тэлефонных схемах Bell. Неўзабаве Джордж заўважыў падабенства паміж некаторымі схемамі і арыфметычнымі аперацыямі з двайковымі лікамі. Заінтрыгаваны, ён сабраў на кухонным стале свой пабочны праекцік.
Спачатку пястота Шцібіца з рэле выклікала мала цікавасці ў кіраўніцтва Bell Labs. Але ў 1938 годзе кіраўнік даследчай групы спытаў Джорджа, ці могуць яго калькулятары выкарыстоўвацца для арыфметычных аперацый з комплекснымі лікамі (напрыклад, а + бi, Дзе i - Квадратны корань адмоўнага ліку). Апынулася, некалькі вылічальных аддзелаў у Bell Labs ужо стагналі з-за таго, што ім увесь час прыходзілася памнажаць і дзяліць такія лікі. Множанне аднаго комплекснага ліку патрабавала чатырох арыфметычных аперацый на настольным калькулятары, дзяленне - 16 аперацый. Шцібіц сказаў, што можа вырашыць праблему, і распрацаваў схему машыны для такіх вылічэнняў.
Канчатковую канструкцыю, якую ўвасобіў у метале тэлефонны інжынер Сэмюэль Уільямс (Samuel Williams), назвалі Complex Number Computer – або Complex Computer для сцісласці – і запусцілі ў працу ў 1940-м. Для вылічэнняў выкарыстоўвалася 450 рэле, прамежкавыя вынікі захоўваліся ў дзесяці каардынатных перамыкачах. Дадзеныя ўводзіліся і прымаліся з дапамогай рулоннага тэлетайпа. У дэпартаментах Bell Labs усталявалі тры такіх тэлетайпа, што кажа аб вялікіх запатрабаваннях у вылічальных магутнасцях. Рэле, матрыца, тэлетайпы - ва ўсіх адносінах гэта быў прадукт сістэмы Bell.
Зорную гадзіну Complex Computer прабіў 11 верасня 1940-га. Шцібіц прадставіў справаздачу аб кампутары на сустрэчы Амерыканскага матэматычнага таварыства ў Дартмуцкім каледжы. Ён дамовіўся, што там жа будзе ўсталяваны тэлетайп з тэлеграфным падлучэннем да Complex Computer на Манхэтэне, у 400 кіламетрах. Жадаючыя маглі падысці да тэлетайпа, увесці на клавіятуры ўмовы задачы і ўбачыць, як менш чым праз хвіліну тэлетайп чароўнай выявай друкуе вынік. Сярод тых, хто выпрабаваў навінку, былі Джон Моўлі (John Mauchly) і Джон фон Нэйман (John von Neumann), кожны з якіх адыграе важную ролю ў працягу нашай гісторыі.
Удзельнікі сустрэчы ўбачылі кароткі пробліск будучага свету. Пазней кампутары сталі так дарогі, што адміністратары ўжо не маглі дазволіць ім стаяць без справы, пакуль карыстач чухае падбародак перад кансоллю кіравання, разважаючы, што набраць далей. Наступныя 20 гадоў навукоўцы стануць думаць, як стварыць кампутары агульнага прызначэння, якія заўсёды будуць чакаць, каб вы ўвялі ў іх дадзеныя, нават працуючы пры гэтым над нечым яшчэ. І потым пройдзе яшчэ 20 гадоў, пакуль гэты інтэрактыўны рэжым вылічэнняў не стане ў парадку рэчаў.
Шцібіц за дартмуцкім інтэрактыўным тэрміналам у 1960-х. Дартмуцкі каледж быў піянерам у сферы інтэрактыўных вылічэнняў. Шцібіц стаў прафесарам каледжа ў 1964 годзе
Дзіўна, што, нягледзячы на развязальныя ім задачы, Complex Computer па сучасных мерках – наогул не кампутар. Ён мог выконваць арыфметычныя аперацыі з комплекснымі лікамі і, верагодна, рашаць і іншыя падобныя задачы, але не задачы агульнага прызначэння. Ён не быў праграмуемым. Ён не мог выконваць аперацыі ў адвольным парадку ці паўторна. Гэта быў калькулятар, здольны рабіць пэўныя вылічэнні значна лепш за папярэднікаў.
З пачаткам Другой сусветнай у Bell пад кіраўніцтвам Шцібіца была створана серыя кампутараў з назовамі Model II, Model III і Model IV (Complex Computer, адпаведна, атрымаў імя Model I). Большасць з іх пабудавалі па патрабаванні Нацыянальнага даследчага камітэта па пытаннях абароны, а ўзначальваў яго не хто іншы, як Вэнівар Буш. Шцібіц палепшыў схему машын з пункта гледжання большай універсальнасці функцый і праграмуемасці.
Напрыклад, Ballistic Calculator (пазней Model III) распрацоўваўся для патрэб сістэм кіравання зенітнай стральбой. Яго запусцілі ў эксплуатацыю ў 1944-м у Фортэ Бліс, Тэхас. Прылада змяшчала 1400 рэле і магло выконваць праграму матэматычных аперацый, якая вызначаецца паслядоўнасцю інструкцый на закальцаванай папяровай стужцы. Асобна падавалася стужка з уваходнымі дадзенымі, асобна - таблічныя дадзеныя. Гэта дазваляла хутка знаходзіць значэння, да прыкладу, трыганаметрычных функцый без сапраўдных вылічэнняў. Інжынеры Bell распрацавалі спецыяльныя пошукавыя схемы (hunting circuits), якія сканавалі стужку наперад/назад і шукалі адрас патрэбнага таблічнага значэння незалежна ад вылічэнняў. Шцібіц устанавіў, што яго камп'ютар Model III, дзень і ноч які пстрыкае рэле, замяняў 25—40 вылічальніц.
Стойкі з рэле Bell Model III
Машына Model V ужо не паспела пабываць на вайсковай службе. Яна стала яшчэ больш універсальнай і магутнай. Калі ацэньваць у колькасці заменных ёю вылічальнікаў, то яна прыкладна ў дзесяць разоў пераўзыходзіла Model III. Некалькі вылічальных модуляў з 9 тысячамі рэле маглі атрымліваць уваходныя дадзеныя з некалькіх станцый, дзе карыстачы ўводзілі ўмовы розных задач. Кожная такая станцыя мела адзін істужачны счытвальнік для ўводу дадзеных і пяць для інструкцый. Гэта дазваляла пры вылічэнні задачы з асноўнай стужкі выклікаць розныя падпраграмы. Галоўны кіраўнік модуль (па сутнасці, аналаг аперацыйнай сістэмы) размяркоўваў інструкцыі па вылічальных модулях у залежнасці ад іх даступнасці, а праграмы маглі выконваць умоўныя пераходы. Гэта быў ужо не проста калькулятар.
Год цудаў: 1937-й
1937 год можна лічыць паваротным момантам у гісторыі вылічальных машын. У той год Шэнан і Шцібіц заўважылі падабенства паміж рэлейнымі схемамі і матэматычнымі функцыямі. Гэтыя высновы прывялі Bell Labs да стварэння цэлай серыі важных лічбавых машын. Гэта была свайго роду - ці нават замяшчэнне, - калі сціплае тэлефоннае рэле, не змяняючы фізічнай формы, стала ўвасабленнем абстрактнай матэматыкі і логікі.
У тым жа годзе ў студзеньскім нумары выдання Proceedings of the London Mathematical Society выйшаў артыкул брытанскага матэматыка Алана Цьюрынга «Пра вылічальныя лікі ў дачыненні да »(On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). У ёй была апісана ўніверсальная вылічальная машына: аўтар сцвярджаў, што яна магла б выконваць дзеянні, лагічна эквівалентныя дзеянням людзей-вылічальнікаў. Ц'юрынг, які ў папярэднім годзе паступіў у аспірантуру Прынстанскага ўніверсітэта, таксама быў заінтрыгаваны рэлейнымі схемамі. І, як і Буш, занепакоены нарастаючай пагрозай вайны з Нямеччынай. Таму ён узяўся за іншы крыптаграфічны праект — двайковы памножальнік, які можна было выкарыстоўваць для шыфравання ваенных паведамленняў. Ц'юрынг пабудаваў яго з рэле, набраных ва ўніверсітэцкім механічным цэху.
У тым жа 1937-м Говард Эйкен (Howard Aiken) разважаў аб меркаванай аўтаматычнай вылічальнай машыне. Гарвардскі аспірант-электратэхнік Эйкен выконваў немалую долю вылічэнняў з дапамогай аднаго толькі механічнага калькулятара і друкаваных кніг з матэматычнымі табліцамі. Ён прапанаваў канструкцыю, якая пазбаўляла б ад гэтай руціны. У адрозненне ад існавалых вылічальных прылад, яна павінна была аўтаматычна і цыклічна апрацоўваць працэсы, выкарыстаючы вынікі папярэдніх вылічэнняў у якасці ўваходных дадзеных для наступных.
Тым часам у Nippon Electric Company тэлекамунікацыйны інжынер Акіра Накашыма (Akira Nakashima) яшчэ з 1935 года даследаваў сувязі паміж рэлейнымі схемамі і матэматыкай. Нарэшце, у 1938-м ён самастойна даказаў эквівалентнасць рэлейных схем булевай алгебры, якую Шэнан выявіў годам раней.
У Берліне Конрад Цузе (Konrad Zuse), былы авіяінжынер, які стаміўся ад бясконцых вылічэнняў, якія патрабаваліся на працы, шукаў сродкі на стварэнне другой вылічальнай машыны. Яму не ўдалося прымусіць надзейна працаваць сваю першую механічную прыладу – V1, таму ён хацеў зрабіць рэлейны кампутар, які і распрацаваў у суаўтарстве са сваім сябрам, тэлекамунікацыйным інжынерам Гельмутам Шрэерам (Helmut Schreyer).
Універсальнасць тэлефонных рэле, высновы аб матэматычнай логіцы, жаданне яркіх розумаў пазбавіцца ад атупляльнай працы – усё гэта пераплялося і прывяло да ўзнікнення ўяўлення аб лагічнай машыне новага тыпу.
Забытае пакаленне
Плёнам адкрыццяў і распрацовак 1937-го прыйшлося спець некалькі гадоў. Вайна аказалася самым магутным угнаеннем, і з яе прыходам рэлейныя кампутары пачалі з'яўляцца ўсюды, дзе існавала неабходная тэхнічная экспертыза. Матэматычная логіка стала кратамі для лоз электратэхнікі. Узніклі новыя формы праграмуемых вылічальных машын – першы накід сучасных кампутараў.
У дадатак да машын Шцібіца да 1944-га ЗША маглі пахваліцца прыладай Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), вынікам прапановы Эйкена. Падвойная назва ўзнікла з-за пагаршэння адносін паміж акадэмічным асяроддзем і прамысловасцю: усе прад'яўлялі правы на прыладу. Mark I/ASCC выкарыстоўвала кіраўнікі рэлейныя схемы, але асноўны арыфметычны модуль быў пабудаваны па архітэктуры механічных калькулятараў IBM. Машына была створана для патрэб бюро караблебудавання ЗША. Яе спадчынніца Mark II пачала працаваць у 1948-м на выпрабавальным палігоне ВМФ, і ўсе яе аперацыі будаваліся выключна на рэле - на 13 тысячах рэле.
Цузе падчас вайны пабудаваў некалькі рэлейных кампутараў, усё больш складаных. Кульмінацыяй стаў V4, які, як і Bell Model V, уключаў у сябе ўстаноўкі для выкліку падпраграм і выконваў умоўныя пераходы. З-за недахопу матэрыялаў у Японіі ні адна з распрацовак Накашымы і яго суайчыннікаў не была ўвасоблена ў метале, пакуль краіна не аднавілася пасля вайны. У 1950-х нанава сфармаванае міністэрства знешняга гандлю і прамысловасці прафінансавала стварэнне дзвюх рэлейных машын, другая з якіх была монстрам з 20 тысячамі рэле. Кампанія Fujitsu, якая ўдзельнічала ў стварэнні, распрацавала свае ўласныя камерцыйныя прадукты.
Сёння гэтыя машыны амаль поўнасцю забыты. У памяці засталася толькі адна назва - ЭНІАК (ENIAC). Чыннік забыцця не ставіцца да іх складанасці, ці магчымасцям, ці хуткасці. Вылічальныя і лагічныя ўласцівасці рэле, адкрытыя навукоўцамі і даследнікамі, ставяцца да любога ўвазе прылад, якія могуць дзейнічаць як перамыкач. І так адбылося, што была даступная іншая падобная прылада — электронны перамыкач, які мог спрацоўваць у сотні разоў хутчэй рэле.
Важнасць Другой сусветнай у гісторыі жыцця вылічальных машын ужо павінна быць відавочная. Самая жахлівая вайна стала штуршком да развіцця электронных машын. Яе пачатак вызваліла рэсурсы, неабходныя для пераадолення відавочных недахопаў электронных перамыкачоў. Панаванне электрамеханічных кампутараў аказалася нядоўгім. Падобна тытанам, яны былі скінуты сваімі дзецьмі. Як і рэле, электронная камутацыя ўзнікла дзякуючы патрэбам тэлекамунікацыйнай індустрыі. А каб высветліць, адкуль яна пайшла, мы павінны адкруціць нашу гісторыю да моманту на світанку эпохі радыё.
Крыніца: habr.com