Други статии от цикъла:
- История на релето
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- История на интернет
Досега последователно си припомнихме за всяка от първите три опити за построяване на цифров електронен компютър: компютърът на Атанасов-Бери ABC, замислен от Джон Атанасов; проектът на британския Колос, ръководен от Томи Флауърс, и ENIAC, създаден в училището на Мур при Пенсилванския университет. Всички тези проекти бяха, по същество, независими. Въпреки че Джон Мошли, основната движеща сила на проекта ENIAC, знаеше за работата на Атанасов, схемата на ENIAC не приличаше на ABC. Ако изобщо имаше общ прародител на електронно изчислително устройство, то това беше скромният брояч на Уин-Уилямс, първото устройство, което използваше електронни лампи за цифрово съхранение и позволи на Атанасов, Флауърс и Мошли да поемат пътя към създаването на електронни компютри.
Но само една от тези три машини играе роля в последвалите събития. ABC никога не е извършвала полезна работа и, общо взето, малкото хора, които са знаели за нея, я забравиха. Двете военни машини доказаха, че са способни да надминат по чиста скорост всеки друг съществуващ компютър, но „Колосът“ остана тайна дори след победата над Германия и Япония. Само ENIAC стана широко известен, затова стана носител на стандарта за електронни изчисления. И сега всеки, който искаше да създаде изчислително устройство на основата на електронни лампи, можеше да посочи успеха на училището на Мур за потвърждение. Упоритият скептицизъм на инженерната общност, с който бяха посрещнати всички подобни проекти до 1945 г., изчезна; скептиците или промениха мнението си, или замълчаха.
Доклад за EDVAC
Издаденият през 1945 година документ, основан на опита от изграждането и използването на ENIAC, зададе тон на развитието на компютърната техника в света след Втората световна война. Той се наричаше „първи черновик на доклад за EDVAC“ [Electronic Discrete Variable Automatic Computer] и предоставяше шаблон за архитектурата на първите компютри, програмирани в съвременния смисъл – т.е. изпълняващи команди, извличани от високоскоростната памет. И въпреки че точният произход на изброените в него идеи остава предмет на дискусии, той е подписан с името на математика (роденият Янош Лайош Нейман). Характерно за разума на математикa е, че в документа е направенa първата опит да се абстрахира схемата на работа на компютъра от спецификациите на конкретната машина; той се опита да отдели самата същност на структурата на компютъра от различни вероятни и случайни нейни проявления.
Фон Нейман, роден в Унгария, стига до ENIAC през Принстън (Ню Джърси) и Лос Аламос (Ню Мексико). През 1929 година, като утвърден млад математик с забележителни приноси в теорията на множествата, квантовата механика и теорията на игрите, той напуска Европа, за да заеме длъжност в Принстънския университет. Четири години по-късно близкият Институт за напреднали изследвания (IAS) му предлага пожизнена позиция. Поради нарастващия нацизъм в Европа, фон Нейман с радост хвана шанса да остане безсрочно от другата страна на Атлантика – и впоследствие стана един от първите еврейски интелектуалци-бежанци от хитлерска Европа. След войната, той тъгуваше: „Моите чувства към Европа противоречат на носталгията, тъй като всеки познат ъгъл ми напомня за изчезналия свят и за руини, които не носят утешение“, и си спомняше за „пълното си разочарование от човечността на хората в периода 1933-1938 година“.
Отвратен от изгубената многонационална Европа на своята младост, фон Нойман насочи целия си интелект към помощ на военната машина, принадлежаща на страната, която го приюти. През следващите пет години той обикаляше страната, давайки съвети и консултации по широк спектър от проекти за ново оръжие, като паралелно стана съавтор на плодовитата книга по теория на игрите. Най-секретната и важна негова работа като консултант беше позицията му в Манхатънския проект – опит за създаване на атомна бомба – изследователският екип на който се намираше в Лос Аламос (Ново Мексико). Робърт Опенхаймер го привлече през лятото на 1943 година, за да помогне с математическото моделиране на проекта, а изчисленията му убедиха останалите членове на екипа да се насочат към бомба с вътрешно насочен взрив. Такъв взрив, благодарение на взривно вещество, което движи разпадащия се материал навътре, трябваше да позволи достигането на самообезпечаваща се верижна реакция. В резултат на това се наложи да се извърши огромно количество изчисления, за да се постигне идеален сферичен взрив, насочен навътре с необходимото налягане – и всяка грешка би довела до прекъсване на веригата на реакцията и провал на бомбата.
Фон Нойман по време на работа в Лос Аламос
В Лос Аламос работеше група от двадесет хора–изчислители, разполагащи с настолни калкулатори, но те не се справяха с изчислителната натовареност. Учените им предоставиха техника от IBM за работа с перфокарти, но те отново не успяваха. Те поискаха подобрено оборудване от IBM, получиха го през 1944, но все пак не успяваха.
До този момент фон Нойман е добавил още един набор места за посещение към постоянния си круиз из страната: той е обикалял всички възможни места, където се намират компютърни технологии, които биха могли да бъдат полезни в Лос Аламос. Той е изпратил писмо до Уорън Уивър, ръководителя на отдела по приложна математика на националния изследователски оборонителен комитет (NDRC), и е получил няколко добри насоки. Той е отишъл в Харвард, за да види Mark I, но той вече е бил напълно зает с работа за флота. Той е разговарял с Джордж Стиибитц и е разглеждал възможността да поръча релемен компютър на Бел за Лос Аламос, но е отказал тази идея, след като е научил колко време би отнело. Той е посетил група от Колумбийския университет, която е свързала няколко компютъра IBM в по-голяма автоматична система под ръководството на Уолас Екерт, но не е било видно значително подобрение в сравнение с наличните IBM компютри в Лос Аламос.
Но Уивър не е включил един проект в списъка, който е дал на фон Нойман: ENIAC. Той определено е знаел за него: на поста си директор по приложна математика той е бил задължен да следи напредъка на всички компютърни проекти в страната. Уивър и NDRC определено са могли да имат съмнения относно жизнеспособността и сроковете за изграждане на ENIAC, но е наистина изненадващо, че дори не е споменал съществуването му.
Каквато и да е причината за това, фон Нейман научава за ENIAC единствено благодарение на случайна среща на железопътната платформа. Тази история разказа Герман Голдщайн, посредник в изпитателната лаборатория на училището Мура, където беше построен ENIAC. Голдщайн се сблъскал с фон Нейман на ж/д станция Абердин през юни 1944 г. – фон Нейман заминаваше след една от своите консултации, която предоставяше като член на научния консултативен комитет в Балистичната изследователска лаборатория в Абердин. Голдщайн беше запознат с репутацията на фон Нейман като велик човек и започна разговор с него. В желанието си да направи впечатление, той не можа да не спомене новината за интересен проект, който се развиваше във Филаделфия. Настроението на фон Нейман моментално премина от милия колега до строг контролер, и той засипа Голдщайн с въпроси относно подробностите на новия компютър. Той намери нов интересен източник на потенциални компютърни мощности за Лос Аламос.
В първото си посещение при Преспър Екерт, Джон Моучли и другите членове на екипа ENIAC през септември 1944 г. фон Нейман веднага се влюби в този проект и добави още една точка в дългия списък на организациите, с които консултираше. И двете страни печелеха от това. Лесно е да се види как потенциалът на бързите електронни изчисления привлече фон Нейман. ENIAC или подобна машина, имаше възможността да преодолее всички изчислителни ограничения, които забавяха напредъка на Манхетънския проект и много други съществуващи или потенциални проекти (обаче, законът на Сей, който действа и до днешен ден, гарантираше, че появата на изчислителни възможности скоро ще предизвика равен интерес към тях). За училището Мура благословията на такъв признат специалист като фон Нейман означаваше край на скептицизма към тях. Освен това, като се има предвид живият му ум и богатия опит, работейки из цялата страна, той нямаше равен по широта и дълбочина на познания в областта на автоматичните изчисления.
Така фон Нейман се включи в плана на Екърт и Молчли за създаване на последовател на ENIAC. Заедно с Херман Голдщайн и друг математик от ENIAC, Артър Бъркс, те започнаха да правят наброски на параметрите за второ поколение електронен компютър, а идеите на точно тази група фон Нейман обобщи в отчета "първи черновик". Новата машина трябваше да стане по-мощна, да има по-гладки контури и, най-важното – да преодолее най-голямата пречка при използването на ENIAC – многочасовата настройка за всяка нова задача, през която тази могъща и изключително скъпа изчислителна машина просто стоеше без работа. Разработчиците на електромеханични машини от последните поколения, харвардския Mark I и релейния компютър на Белл избягваха това, въвеждайки инструкции в компютъра с помощта на хартии с пробити дупки – операторът можеше да подготвя хартия, докато машината решаваше други задачи. Въпреки това, подобен метод на въвеждане на данни би обезсилил предимството на електрониката по скорост; никаква хартия не можеше да предоставя данни толкова бързо, колкото ENIAC можеше да ги приема. ("Колосът" работеше с хартия чрез фотоелектрически сензори и всеки от петте му изчислителни модула абсорбираше данни със скорост 5000 символа в секунда, но това беше възможно само благодарение на максимално бързото въртене на хартията. Преходът на произволно място на лентата изискваше забавяне от 0,5 с за всяките 5000 реда).
Решението на проблема, описана в "първия черновик", се състоеше в преместването на съхранението на инструкциите от "външно записващо устройство" в "памет" – тази дума за компютърното съхранение на данни е използвана за пръв път (фон Нойман специално използваше този и други биологични термини в работата си – той много се интересуваше от работата на мозъка и процесите, протичащи в невроните). Тази идея по-късно беше наречена "съхранение на програми". Въпреки това, това веднага доведе до друг проблем – поставил в задънена улица дори Атанасов – прекомерната скъпота на електронните лампи. В "първия черновик" се оценяваше, че за компютър, способен да изпълнява широк спектър от изчислителни задачи, са необходими 250 000 двоични числа за съхранение на инструкции и временни данни. Паметта на електронните лампи с такъв размер би струвала милиони долари и би била напълно ненадеждна.
Решението на дилемата предложи Екерт, работил в началото на 40-те години над изследвания на radar системи в рамките на договор между училището на Мур и "Рад лаб" от MIT, централния изследователски център за radar технологии в САЩ. Конкретно Екерт работеше по radar система, наречена "индикатор на движеща се цел" (Moving Target Indicator, MTI), решаваща проблема с "осветлението от земята": всеки шум на екрана на radar, създаден от сгради, хълмове и други неподвижни обекти, усложняващи задачата на оператора за извличане на важна информация – размера, местоположението и скоростта на движещите се въздушни средства.
В MTI проблемът с осветлението беше решен с помощта на устройство, наречено . То преобразуваше електрическите импулси на radar в звукови вълни, а след това изпращаше тези вълни през живачна тръба по такъв начин, че звукът да пристигне в другия край и да бъде преобразуван обратно в електрически импулс в момента, когато radar повторно сканираше същата точка в небето (забавните линии за разпространение на звука могат да използват и други среди: различни течности, твърди кристали и дори въздух. Според някои данни, техният замисъл е бил предложен от физика от лабораториите на Бел в лицето на Уилиам Шокли, за когото ще стане дума по-късно). Всеки сигнал, идващ от radar в същото време, когато сигналът през тръбата, се считаше за сигнал от стационарен обект и беше отхвърлян.
Екерт разбра, че звуковите импулси в линия на забавяне могат да се считат за двоични числа – 1 обозначава наличието на звук, 0 – отсъствието му. В една ртутна тръба могат да се съдържат стотици такива цифри, всяка от които преминава през линията по няколко пъти на милисекунда, тоест, на компютъра би му било необходимо да изчака няколко стотин микросекунди, за да получи достъп до цифрата. В същото време достъпът до последователни цифри в тръбата би бил по-бърз, тъй като цифрите са разделени само от няколко микросекунди.
Ртутни линии на забавяне в британския компютър EDSAC
След разрешаването на основните проблеми в схемата на работа на компютъра, фон Нейман събира идеите на цялата група в 101-страничен доклад "първият черновик" през пролетта на 1945 и го разпространява сред ключовите фигури на проекта EDVAC от второ поколение. Доста скоро той достига и до други кръгове. Математикът Лесли Комри, например, взема копие със себе си у дома в Британия след посещението си в училището на Мур през 1946 и го споделя с колегите си. Разпространението на доклада предизвиква възмущение у Екерта и Моучли по две причини: първо, по-голямата част от заслугите за разработката са приписани на автора на черновика, фон Нейман. Второ, всички основни идеи, съдържащи се в системата, се оказват, по същество, публикувани от гледна точка на патентното бюро, което попречи на плановете им за комерсиализация на електронния компютър.
Самото основание на обидата на Екерт и Моучли предизвика, от своя страна, негодование сред математиците: фон Неймана, Голдщейна и Бъркса. От тяхна гледна точка, докладът беше важно ново знание, което трябваше да бъде разпространено колкото си може по-широко, в съответствие с духа на научния прогрес. Освен това, цялото това предприятие беше финансирано от правителството, а следователно и от американските данъкоплатци. Те бяха отблъснати от търговския опит на Екерт и Моучли да спечелят от войната. Фон Нейман пишеше: "Никога не бих заел длъжност на консултант в университета, знаейки, че консултирам търговска група."
Пътищата на фракциите се разделиха през 1946: Екер и Моточли откриха собствена компания на базата на по-безопасен патент, базиран на технологията ENIAC. Първоначално нарекли предприятието си Electronic Control Company, но на следващата година го преименували на Eckert-Mauchly Computer Corporation. Фон Нойман се върнал в IAS, за да създаде компютър на базата на EDVAC, и към него се присъединили Голдщайн и Бъркс. За да предотвратят повторение на ситуацията с Екер и Моточли, те се погрижили цялата интелектуална собственост на новия проект да стане обществено достояние.
Фон Нойман пред компютъра IAS, построен през 1951 г.
Отстъпление, посветено на Алън Тюринг
Сред хората, видели доклада по EDVAC по заобиколен начин, бил британският математик Алън Тюринг. Тюринг не бил сред първите учени, създали или измислили автоматичен компютър, електронен или какъвто и да е, и някои автори значително преувеличавали ролята му в историята на изчислителната техника. Въпреки това, трябва да му се отдаде заслуженото като на първия човек, осъзнал, че изчислителните машини не просто могат да
Алън Тюринг през 1951 г.
В края на 1945 година Тюринг публикува собствен доклад, в който споменава фон Нойман, озаглавен "предложение за електронен изчислител", предназначен за британската държавна физическа лаборатория (NPL). Той не навлезе в конкретни детайли по конструкцията на предложения електронен компютър. Неговата схема отразяваше разума на специалист по логика. Нямаше специално оборудване за функции с високо ниво, тъй като те могат да бъдат съставени от примитиви с ниско ниво; това би било грозен прираст върху красивата симетрия на машината. Също така, Тюринг не предвиди никаква линейна памет за компютърната програма – данните и инструкциите можеха да съществуват заедно в паметта, тъй като бяха просто числа. Инструкцията ставаше инструкция само когато бе интерпретирана по този начин (работата на Тюринг от 1936 година "за изчислимите числа" вече беше изследвала взаимовръзката между статичните данни и динамичните инструкции. Той описа това, което по-късно стана известно като "машина на Тюринг", и показа как може да бъде преобразувана в число и подадена като входни данни на универсалната машина на Тюринг, способна да интерпретира и изпълнява всяка друга машина на Тюринг). Тъй като Тюринг знаеше, че числата могат да обозначават всякаква форма на точно зададена информация, в списъка със задачи за решаване на този изчислител той включи не само изграждането на артилерийски таблици и решаването на системи от линейни уравнения, но и решаването на пъзели и шахматни етюди.
Автоматичната изчислителна машина на Тюринг (ACE) никога не беше създадена в първоначалния си вариант. Тя беше твърде бавна и трябваше да се конкурира с по-амбициозни британски изчислителни проекти за най-добрите таланти. Проектът се забави за няколко години, а след това Тюринг загуби интерес към него. През 1950 година NPL създадоха Pilot ACE — машина с по-малки размери и малко по-различна конструкция, освен това в началото на 50-те години от архитектурата на ACE черпеха вдъхновение няколко други компютърни проекта. Но не успя да разширит своето влияние и бързо изчезна от съществуването.
Но всичко това не намалява заслугите на Тюринг, а просто помага да го поставим в правилния контекст. Значението на неговото влияние върху историята на компютрите не се основава на конструкциите на компютрите от 50-те години, а на теоретичната основа, която той подготви за информатиката, появила се през 60-те. Неговите ранни трудове по математическа логика, които изследват границите на изчисляемото и неизчисляемото, станаха фундаментални текстове на новата дисциплина.
Бавна революция
С разпространението на новините за ENIAC и доклада EDVAC, школата на Мур стана място на поклонение. Много посетители идваха, за да учат "при краката на майсторите", особено от САЩ и Британия. За да организира потока на молители, деканът на школата през 1946 г. трябваше да организира лятна школа по автоматични изчислителни машини, работеща по покани. Лекции водеха такива светила, като Екерт, Маучли, фон Нойман, Бъркс, Голдщейн и Хауърд Айкен (разработчикът на харвардския електромеханичен компютър Mark I).
Сега почти всички искаха да създават машини по инструкциите от доклада EDVAC (по ирония, първата машина, стартирала програма, съхранявана в паметта, стана самият ENIAC, който през 1948 г. беше преработен за използване на инструкции, съхранявани в паметта. Само след това той започна успешно да работи в новия си дом, Абердинския изпитателен полигон). Дори в имената на проектите на новите компютри, създадени през 40-те и 50-те години, се наблюдаваше влиянието на ENIAC и EDVAC. Дори да не се вземат предвид UNIVAC и BINAC (създадени в новата компания на Екерт и Маучли) и самият EDVAC (завършен в школата на Мур след като основателите й я напуснаха), остават AVIDAC, CSIRAC, EDSAC, FLAC, ILLIAC, JOHNNIAC, ORDVAC, SEAC, SILLIAC, SWAC и WEIZAC. Много от тях директно копираха свободно публикуваната конструкция IAS (с незначителни изменения), възползвайки се от политиката на отвореност на фон Нойман относно интелектуалната собственост.
Обаче електронната революция се развиваше постепенно, стъпка по стъпка променяйки съществуващия ред. Първата машина в стил EDVAC се появи едва през 1948 г. и това беше само малък проект, доказващ работоспособността на концепцията, манчестерският "бебе", разработен за потвърждаване на жизнеспособността на паметта на (голямата част от изчислителните машини преминаха от ртутни тръби към друг вид памет, която също дължи произхода си на радарни технологии. Вместо тръби, в нея се използваше катодно-лъчев екран. Британският инженер Фредерик Уилямс беше първият, който измисли как да реши проблема със стабилността на тази памет, в резултат на което накопителите получиха неговото име). През 1949 година бяха създадени още четири машини: пълноразмерният Manchester Mark I, EDSAC в Кеймбриджкия университет, CSIRAC в Сидни (Австралия) и американският BINAC – въпреки че последният така и не заработи. Малък, но стабилен продължи през следващите пет години.
Някои автори описват ENIAC така, сякаш е покрил миналото с воал и мигновено ни е довел в ерата на електронните изчисления. Поради това реалните свидетелства са били силно изкривени. "Появяването на напълно електронния ENIAC почти веднага направи Mark I остарял (въпреки че той продължаваше да работи успешно още петнадесет години)" – пише Катрин Фишман [Katherine Davis Fishman, The Computer Establishment (1982)]. Това твърдение е толкова очевидно противоречиво, че може да се помисли, че лявата ръка на госпожица Фишман не знае какво прави дясната. Може, разбира се, да се обясни с бележки на прост журналист. Въпреки това, ние откриваме как няколко истински историци отново избират Mark I като мишена и пишат: "Харвардският Mark I не беше само технически задънена улица, той изобщо не направи нещо наистина полезно за петнадесетте години на работа. Той беше използван в няколко проекта на военноморския флот, и там машината показа достатъчно полезност, за да флотът поръча още няколко изчислителни машини за лабораторията на Айкен" [Aspray and Campbell-Kelly]. Отново очевидно противоречие.
Всъщност релейните компютри имаха свои предимства и продължаваха да работят паралелно с електронните си братя. Няколко нови електромеханични компютъра бяха създадени след Втората световна война, дори в началото на 50-те години в Япония. Релейните машини бяха по-лесни за разработка, изграждане и поддръжка, и не изискваха толкова електричество и климатизация (за разсейване на огромното количество топлина, излъчвана от хиляди електронни лампи). ENIAC използваше 150 кВт електричество, 20 от които отиваха за охлаждането му.
Американските военни продължаваха да остават основен потребител на изчислителни мощности и не пренебрегваха 'остарелите' електромеханични модели. В края на 40-те години армията разполагаше с четири релейни компютъра, а флотът – с пет. В балистичната изследователска лаборатория в Абердин се натрупа най-голямата концентрация на изчислителни мощности в света, тъй като там работеха ENIAC, релейните калкулатори на Бел и IBM, и старият диференциален анализатор. В доклада от септември 1949 година на всеки беше отредено своето място: ENIAC работеше най-добре с дълги простички изчисления; калкулаторът на Бел модел V обработваше сложни изчисления благодарение на почти неограничената дължина на лентата с инструкции и способността да работи с плаваща запетая, докато IBM можеше да обработва много голямо количество информация, съхранявана в перфокарти. Междувременно определени операции, като извличане на кубични корени, все още бяха по-лесно да се извършват на ръка (в комбинация с използването на таблици и настолни калкулатори), спестявайки машинно време.
Най-добрата оценка за завършването на електронната изчислителна революция не е 1945 година, когато се роди ENIAC, а 1954-та, когато се появиха компютрите IBM 650 и 704. Те не бяха първите търговски електронни компютри, но станаха първите, произвеждани в стотици, и определиха доминиращата позиция на IBM в индустрията на компютрите, която продължи тридесет години. В терминологията на , електронните компютри спряха да бъдат странна аномалия от 40-те години, съществуваща само в мечтите на такива аутсайдери като Атанасов и Моучли; те станаха нормална наука.
Един от многото компютри IBM 650 – в конкретния случай това е екземпляр от Тексаския университет A&M. Паметта на магнитния барабан (вдясно) го правеше сравнително бавен, но и сравнително евтин.
Напускайки гнездото
Към средата на 50-те години схемата и конструкцията на цифровото изчислително оборудване се отделят от корените си, които лежат в превключватели и усилватели на аналоговите системи. Работните схеми на компютрите от 30-те и началото на 40-те години значително разчитаха на идеи от лаборатории по физика и радарна техника, особено от инженери в телекомуникациите и изследователските отдели. Сега компютрите организираха собствена сфера, а специалистите в тази област разработваха свои собствени идеи, речник и инструменти за решаване на свои собствени проблеми.
Така се появи компютърът в съвременния му смисъл и затова нашата подходи към завършване. Въпреки това, светът на телекомуникациите имаше още един интересен козир в ръкава си. Електронната лампа надмина релето поради липсата на подвижни части. А последното реле в нашата история имаше предимството да няма никакви вътрешни части. Безобидно изглеждаща топка материя, от която стърчат няколко проводника, се появи благодарение на нов клон на електрониката, известен като „твърдотелна“.
Въпреки че електронните лампи бяха бързи, те остават скъпи, големи, горещи и не особено надеждни. Невъзможно беше да се направи, например, лаптоп. Фон Нейман през 1948 година пише, че „малко вероятно е да можем да надвием количеството превключватели от 10 000 (или, може би, няколко десетки хиляди), докато сме принудени да използваме текущите технологии и философия)“. Твърдотелното реле даде на компютрите възможността отново и отново да преминават през тези граници, преодолявайки ги многократно; да влязат в употреба в малкия бизнес, училища, домове, битова техника и да се поберат в джобовете; да създадат магическа цифрова страна, пронизваща нашето днешно съществуване. За да намерим източниците му, трябва да върнем часовниците на петдесет години назад и да се върнем в интересните ранни дни на безжичните технологии.
Какво още да прочетете:
- Дейвид Андерсън, “Беше ли Манчестер Бейби замислен в Блетчли Парк?”, Британския компютърен съюз (4 юни 2004)
- Уилям Аспрей, Джон фон Нейман и произходите на съвременната компютърна техника (1990)
- Мартин Кембъл-Кели и Уилям Аспрей, Компютър: Историята на информационната машина (1996)
- Томас Хайг, и др., Eniac в действие (2016)
- Джон фон Нойман, “Първи чернови на доклад за EDVAC” (1945)
- Алан Тюринг, “Предложен електронен калкулатор” (1945)
Източник: habr.com
