В нашето описание на развитието на автоматичните телефонни разклонители, които се управляваха с помощта на релейни схеми. Този път искаме да разкажем как учените и инженерите разработваха релейни схеми в първото — вече забравено — поколение цифрови компютри.
Релето в зенита
Ако си спомняте, работата на релето се основава на прост принцип: електромагнит управлява метален превключвател. Идеята за релето през 1830-те години е предложена независимо от няколко естествознания и предприемачи в сферата на телеграфния бизнес. След това, в средата на XIX век, изобретатели и механици го превърнаха в надежден и незаменим компонент на телеграфните мрежи. Именно в тази сфера животът на релето достигна зенита: той беше миниатюриран, а поколения инженери създадоха безброй конструкции, формално обучавайки се по математика и физика.
В началото на XX век, не само автоматичните комуникационни системи, но и практически всяко оборудване на телефонните мрежи съдържаше в себе си различни видове релета. Едно от най-ранните приложения в телефонната комуникация датира от 1870-те години, при ръчните комутатори. Когато абонатът завъртял ръчката на телефона (ръчката на магнитото), на телефонната станция пристигал сигнал, задействащ бленкера. Бленкерът е реле, при сработването на което на комутационната маса на телефонния оператор падала метална капачка, което сигнализирало за входящо обаждане. Тогава момичето-оператор поставяло щекера в гнездото, релето се нулирало, след което можело отново да се вдигне капачката, която в това положение била задържана от електромагнита.
Към 1924 г., както написали двама инженери от компанията Bell, типичната ръчна телефонна станция обслужвала около 10 000 абоната. В нейното оборудване имало 40—65 хиляди релета, чиято сумарна магнитна сила била „достатъчна за повдигане на 10 тона“. В големите телефонни станции с машинни комутатори тези характеристики се удвоявали. В цялата телефонна система на САЩ се използвали много милиони релета, а техният брой постоянно нараствал с автоматизацията на телефонните станции. Едно телефонно свързване можело да се обслужва от единици до няколко стотин релета — в зависимост от броя и оборудването на включените телефонни станции.
Фабриките на компания Western Electric, производствената структура на корпорация Bell, произвеждали огромен асортимент от реле. Инженерите създадоха толкова модификации, че на това разнообразие биха завидели дори най-изисканите собаковъди или гълъбари. Скоростта на работа и чувствителността на релеите бяха оптимизирани, размерите намалени. През 1921 г. Western Electric произведе почти 5 милиона реле от основни типове. Най-масовото беше универсалното реле Type E, плоско, практически правоъгълно устройство, тежащо само няколко десетки грама. В повечето случаи то беше изработвано от щамповани метални части, което го правеше технологично в производството. Корпусът защитаваше контактите от прах и наведени токове от съседни устройства: обикновено релеите се монтираха плътно едно до друго, в стойки с хиляди реле. Общо бяха разработени 3000 варианта на Type E, всеки от които се отличаваше с конфигурации на навивките и контактите.
Скоро тези реле започнаха да се използват в най-сложните комутатори.
Координатен комутатор
През 1910 година у Готтхилфа Бетуландера, инженер в Royal Telegrafverket — държавната корпорация, контролираща голяма част от шведския телефонен пазар (в продължение на десетилетия — почти целия) — се зароди идея. Той вярваше, че може значително да подобри ефективността на операциите на Telegrafverket чрез изграждане на автоматични комутационни системи, напълно основани на реле. По-точно, на релейни матрици: решетки от стоманени пръти, свързани с телефонни линии, с реле на местата на пресичането на прътите. Такъв комутатор трябваше да работи по-бързо, по-надеждно и да е по-лесен за обслужване в сравнение с системите, основани на плъзгащи или въртящи се контакти.
Освен това, Бетуландер измисли, че може да отдели частите на системата, отговорни за избора и свързването, в независими релейни схеми. А останалата част от системата трябваше да се използва само за установяване на речевия канал, а след това да се освобождава за обслужване на друг разговор. Тоест, Бетуландер стигна до идеята, която по-късно нарекоха „общо управление“ (common control).
Схемата, която съхранява номера на входящото обаждане, той нарече «рекордер» (друг термин — регистър). А схемата, която открива в решетката и «означава» наличното свързване, нарече «маркер». Авторът патентова своята система. Няколко такива станции се появиха в Стокхолм и Лондон. А през 1918 г. Бетуландер научи за американското нововъведение: координатен комутатор, създаден от инженера на Bell Джон Рейнолдс пет години по-рано. Този комутатор много приличаше на разработката на Бетуландер, но в него се използваше n + m реле за обслужване n + m на възлите на матрицата, което беше много по-удобно за последващо разширение на телефонните станции. При установяване на свързване, задържащата релса сжимаше «пръстите» от пианото струни, а избиращата релса се движеше по матрицата, за да се свърже с друго обаждане. На следващата година Бетуландер внедри тази идея в конструкцията на своя комутатор.
Но повечето инженери смятаха творението на Бетуландер за странно и излишно сложно. Когато дойде време да изберат комутационна система за автоматизация на мрежите в най-големите шведски градове, Telegrafverket предпочете конструкцията, разработена в компания Ericsson. Комутаторите на Бетуландер бяха използвани само в малки телефонни станции в селските райони: релейте бяха по-надеждни от моторизираната автоматика на комутаторите на Ericsson и не изискваха обслужващи техници на всяка станция.
Но американските телефонни инженери имаха друго мнение по този въпрос. През 1930 г. специалисти от Bell Labs посетиха Швеция и останаха «много впечатлени от параметрите на координатния комутационен модул». Върнати обратно, американците незабавно започнаха работа над това, което по-късно стана известно като «координатна система № 1», заменяйки панелните комутатори в големите градове. До 1938 г. две такива системи бяха инсталирани в Ню Йорк. Скоро те се превърнаха в стандартно оборудване за градските телефонни станции, докато повече от 30 години по-късно не им на смяна дойдоха електронни комутатори.
Най-интересният компонент на координатния комутатор № 1 стана новият, по-сложен маркер, разработен от Bell. Той е предназначен за намиране на свободен маршрут от извикващия към извиквания через множество свързани помежду си координатни модули, благодарение на което се създава телефонна връзка. Също така, маркерът трябваше да тества всяко свързване за състояние „свободно“/„заето“. Това изискваше прилагането на условна логика. Както написа историкът Робърт Шапиус (Robert Chapuis):
Изборът е условен, защото свободното свързване се запазва само ако осигурява достъп до координатната шина, която има свободно свързване на изхода със следващото ниво. Ако няколко набора от свързвания отговарят на поставените условия, тогава „приоритетната логика“ (preferential logic) избира едно от [съществуващите] най-маломерни свързвания…
Координатният комутатор — прекрасен пример за взаимно обогатяване на технологични идеи. Бетуландер създава своя изцяло релейен комутатор, след което го усъвършенства с комутаторната матрица на Рейнолдс и доказва работоспособността на получената конструкция. Инженерите на AT&T по-късно преработват този хибриден комутатор, подобряват го и създават координатна система № 1. След това тази система става компонент на две ранни изчислителни машини, едната от които сега е известна като важен етап в историята на изчислителната техника.
Математически изчисления (Mathematical labor)
За да разберем как и защо релетата и техните електронни братя помогнаха да се извърши революция в изчислителната техника, ще ни е необходим кратък преглед на света на математическите изчисления. След него ще стане ясно защо е възникнало скрито търсене за оптимизация на изчислителните процеси.
Към началото на XX век цялата система на съвременната наука и инженерство се базираше на труда на хиляди хора, извършващи математически изчисления. Те бяха наричани компютри (computers) [За да не възниква объркване, в по-долната част на текста ще се използва терминът числители. — Примеч. пер.]. Още през 1820-те години Чарлз Бабидж създава (въпреки че неговият апарат имаше предшественици с идеи). Основната му задача беше автоматизацията на изграждането на математически таблици, например за навигация (изчисление на тригонометрични функции с полиномиални аппроксимации при 0 градуса, 0,01 градуса, 0,02 градуса и т.н.). Също така, имаше голямо търсене на математически изчисления в астрономията: трябваше да се обработват суровите резултати от телескопски наблюдения в фиксирани области на небесната сфера (в зависимост от времето и датата на наблюденията) или да се определят орбитите на нови обекти (например, кометата Халея).
От времето на Бебидж потребността от изчислителни машини нарасна многократно. Электрическите компании трябваше да разберат поведението на магистралните системи за предаване на енергия с изключително сложни динамични свойства. Оръдия от бесемеровска стомана, способни да изстрелват снаряди извън хоризонта (а следователно, благодарение на прякото наблюдение на целта, те вече не бяха прицелвани), изискваха все по-точни балистични таблици. Новите статистически инструменти, изискващи голям обем математически изчисления (например метод на най-малките квадрати), все повече се използваха както в науката, така и в нарастващата държавна администрация. В университетите, правителствените учреждения и промишлените корпорации се появиха изчислителни отдели, в които обикновено наемаха жени.
Механичните калкулатори само улесниха изчислителната задача, а не я решиха. Калкулаторите ускориха аритметичните операции, но всяка сложна научна или инженерна задача изискваше стотици или хиляди операции, които изчислителят (човекът) трябваше да извърши ръчно, внимателно записвайки всички междинни резултати.
Развитието на нови подходи към проблема с математическите изчисления беше стимулирано от няколко фактора. Млади учени и инженери, които страдаха, изчислявайки своите задачи през нощта, искаха да дадат休息 на ръцете и очите си. Ръководителите на проекти бяха принудени да харчат все повече пари за заплати на многобройни изчислители, особено след Първата световна война. Накрая много иновативни научни и инженерни задачи трудно подлежеха на ръчно изчисление. Всички тези фактори доведоха до създаването на серии изчислителни машини, работата по които беше ръководена от Вэнивара Буш (Vannevar Bush) — инженер-електротехник от Масачусетския технологичен институт (MIT).
Диференциален анализатор
До този момент историята често беше безлична, но сега ще говорим повече за конкретни хора. Славата подмина създателите на панелния комутатор, релето Type E и схемата на координатния маркер. За тях не останаха дори биографски анекдоти. Единствените публично достъпни свидетелства за техния живот — са окаменелите останки на създадените от тях машини.
Сега можем да получим по-дълбоко разбиране за хората и тяхното минало. Но вече няма да се срещаме с тези, които неуморно работеха на таваните и в ателиета у дома — Морзе и Вейл, Белл и Уотсън. В края на Първата световна война ерата на героичните изобретатели почти приключи. Томас Едисън може да се счита за преходна фигура: в началото на кариерата си той беше наемен изобретател, а в края стана собственик на „фабриката за изобретения“. Към това време разработването на най-забележителните нови технологии стана прерогатив на организации — университети, изследователски подразделения на корпорации, правителствени лаборатории. Хората, за които ще говорим в този раздел, принадлежаха точно на такива организации.
Например, Вэнивар Буш. Той пристигна в MIT през 1919 г., когато беше на 29 години. Малко повече от 20 години по-късно той стана част от хората, оказали влияние върху участието на САЩ във Втората световна война, и помогна за увеличаването на държавното финансиране, което завинаги промени отношенията между правителството, академичната среда и развитието на науката и технологиите. Но за целите на статията, нас интересува серията машини, които се разработваха в лабораторията на Буш от средата на 1920-те години и предназначени за решаването на проблемите с математическите изчисления.
MIT, наскоро преместил се от централната част на Бостън на брега на река Чарлз в Кембридж, бе тясно свързан с нуждите на индустрията. Самият Буш, освен професорската си дейност, имаше финансови интереси в няколко предприятия в сферата на електрониката. Не трябва да се учудвате, че проблемът, който доведе Буш и неговите студенти до работа по ново изчислително устройство, възникна в енергийния сектор: беше необходимо да се моделира поведението на главни електропроводи при максимални натоварвания. Очевидно, че това беше само едно от многото възможни приложения на изчислителните машини: уморителни математически изчисления се правеха навсякъде.
Буш и колегите му първо построиха две машини, които бяха наречени продукционни интеграфи (product integraphs). Но най-известната и успешна машина на MIT стана друга — диференциален анализатор, завършен през 1931 г. Тя решаваше проблеми с предаването на електрическа енергия, изчисляваше орбитите на elektronите, траекториите на космическото излъчване в магнитното поле на Земята и много други. Изследователи по целия свят, които се нуждаеха от изчислителна мощ, през 1930-те години създадоха десетки копия и варианти на диференциалния анализатор. Някои — дори от Meccano (английския аналог на американските детски конструктори марки ).
Диференциалният анализатор е аналогов компютър. Математическите функции се изчисляват с помощта на въртящи се метални стержни, скоростта на въртене на всеки от които отразява някаква количествена стойност. Двигателят задвижва независим стержен – променлива (обикновено представляваща време), който от своя страна, чрез механични свързвания, върти други стержни (различни диференциални променливи), и на базата на входната скорост на въртене се изчислява функция. Резултатите от изчисленията се рисуват на хартия под формата на криви. Най-важните компоненти са интеграторите – колела, въртящи се дискове. Интеграторите могат да изчисляват интеграла на кривата без уморителни ръчни изчисления.
Диференциален анализатор. Интегрален модул – с отворен капак, от страната на прозореца са разположени маси с резултатите от изчисленията, а в центъра – комплекс от изчислителни стержни
Нито един от компонентите на анализатора не съдържаше дискретни превключващи релета или цифрови превключватели. Така че защо разказваме за това устройство? Отговорът дава четвъртата машина от семейство.
В началото на 30-те години на 20-ти век Буш започва да търси финансиране от Фонда на Рокфелер, за да продължи развитието на анализатора. Първоначално той не успява да убеди Уорън Уивър, ръководителя на отдела за естествени науки на фонда. Инженерството не е било в неговата компетенция. Въпреки това, Буш популяризира безкрайния потенциал на новата си машина относно научните приложения – особено в математичната биология, любимия проект на Уивър. Освен това Буш обещава многобройни подобрения на анализатора, включително „възможността бързо да превключва анализатора от един проблем на друг, като телефонен комутатор“. През 1936 г. усилията му са възнаградени с грант от 85 хиляди долара, предоставен за създаването на ново устройство, което по-късно наричат диференциален анализатор на Рокфелер.
Като практическо изчислително устройство, този анализатор не беше особен пробив. Буш, който стана вицепрезидент на MIT и декан на инженерния факултет, не можеше да отдели много време за ръководството на разработката. Всъщност, скоро той се оттегли, поемайки задълженията на председателя на Института Карнеги във Вашингтон. Буш усещаше приближаваща война и имаше няколко научни и производствени идеи, които можеха да служат на нуждите на въоръжените сили. Тоест, той искаше да бъде по-близо до центъра на силите, където можеше по-ефективно да влияе на решенията по различни въпроси.
В същото време техническите проблеми, наложени от новата конструкция, се решаваха от служителите на лабораторията, и скоро те започнаха да бъдат отвличани за работа по военни задачи. Рокфеллеровата машина беше завършена едва през 1942 г. Военните я сметнаха за полезна за серийното производство на балистични таблици за артилерията. Но скоро това устройство беше засенчено от чисто цифрови компютри — представящи числата не като физически величини, а абстрактно, чрез положения на превключватели. Така или иначе, в самия анализатор на Рокфелер е имало доста много подобни превключватели, състоящи се от релейни схеми.
Шенън
През 1936 г. Клод Шенън беше едва на 20 години, но вече беше завършил Мичиганския университет с бакалавърска степен по две специалности: електротехника и математика. В MIT го доведе рекламна брошура, закована на таблото за обяви. Вэнивар Буш търсеше нов асистент за работа над диференциалния анализатор. Шенън без колебание подаде заявление и скоро започна да работи върху новите предизвикателства, и само след това новото устройство започна да придобива форма.
Шенън не приличаше на Буш. Той не беше нито бизнесмен, нито строител на академична империя, нито администратор. През целия си живот той обичаше игри, пъзели и развлечения: шах, жонглиране, лабиринти, криптограми. Както много мъже от неговата епоха, по време на войната Шенън посвещава себе си на сериозна работа: той заемаше длъжност по правителствени договори в Bell Labs, което защитавало крехкото му тяло от военна служба. Неговите изследвания по управление на стрелбата и криптография през този период доведоха до основополагающа работа по теорията на информацията (няма да се занимаваме с нея). През 1950-те, когато войната и нейните последствия затихнаха, Шенън се върна да преподава в MIT, като прекарваше свободното си време в развлечения: калкулатор, работещ изцяло с римски цифри; машина, от която при включване се появяваше механична ръка и изключваше устройството.
Структурата на машината на Рокфелер, с която се сблъска Шенън, логически беше същата като на анализатора от 1931 година, но беше изградена от напълно различни физически компоненти. Буш осъзна, че стержените и механичните предавания в старите машини намаляват ефективността от тяхното използване: за да се извършат изчисления, се налагаше да се настрои машината, което изискваше много човекочасове работа на квалифицирани механика.
Новият анализатор нямаше този недостатък. В основата на конструкцията му не стоеше маса със стержени, а координатен комутатор — излишен прототип, дарен на Bell Labs. Вместо да предава мощността от централния вал, всеки интегрален модул се задвижваше независимо от електромотор. За да настроите машината за решаване на нова задача, беше необходимо просто да конфигурирате релетата в координатната матрица, за да свържете интеграторите в необходимата последователност. Четецът на перфоленти (заемстван от друго телекомуникационно устройство, рулонен телетип) прочиташе конфигурацията на машината, а релейната схема преобразуваше сигнала от лентата в управляващи сигнали за матрицата — това беше подобно на установяване на серия телефонни повиквания между интеграторите.
Новата машина не само че беше много по-бърза и лесна за настройка, но работеше и по-бързо и по-точно от своя предшественик. Тя можеше да решава по-сложни задачи. Днес този компютър може да изглежда примитивен, дори екстравагантен, но тогава той се струваше на наблюдателите като нещо велико — или, може би, ужасно — работещ разум.
По същество, това е математически робот. Автоматон, задвижван от електричество, създаден не само за да свали от човешкия мозък тежестта на сложните изчисления и анализи, но и за да се заеме с математически задачи, неподвластни на умственото решаване, и да ги реши.
Шенън се концентрира на преобразуването на данните от хартия в инструкции за „мозъка“, а за тази операция отговаряше релейната схема. Той обърна внимание на съответствието между структурата на схемата и математическите структури на булевата алгебра, която е изучавал в последния клас в Мичиган. Тази алгебра имаше операнди, ИСТИНА и ЛОЖА, а операторите — И, ИЛИ, НЕ и т.н. Алгебра, съответстваща на логическите твърдения.
Прекарвайки лятото на 1937 година в Bell Labs на Манхатън (перфектното място за размишления над релейни схеми), Шенън написа магистърска теза, озаглавена „Символичен анализ на релейни и комутационни схеми“ (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Наред с работата на Алън Тюринг, създадена година по-рано, дисертацията на Шенън оформи основите на науката за изчислителните машини.
През 1940-50-те години Шенън построи няколко изчислителни/логически машини: калкулатор с римско числене THROBAC, машина за шахматни ендшпили, както и Theseus — лабиринт, по който пътуваше електромеханична мишка (на снимката).
Шенън откри, че системата от уравнения на пропозиционалната логика може директно механистично да се преобразува в физическа схема на релейни превключватели. Той заключи: „Всъщност всяка операция, която може да бъде описана с крайно количество стъпки с помощта на думи, АКО, И, ИЛИ и т.н., може да бъде автоматично изпълнена с помощта на релейни превключватели.“ Например, две управлявани релейни превключвателя, свързани последователно, образуват логическо. И: токът ще протича по главния проводник само когато и двата електромагнита са активирани за затваряне на превключвателите. В същото време две реле, свързани паралелно, формират ИЛИ: токът протича по главната схема, активиран от един от електромагнитите. Изходите на тази логическа схема могат, от своя страна, да управляват електромагнитите на други реле, за да получат по-сложни логически операции като (А И Б) или (В И Г).
Шенън завърши дисертацията със приложение, включващо няколко примера на схеми, създадени по неговия метод. Понеже операциите на булевата алгебра са много сходни с аритметичните операции в двоичната система (т.е. с използване на двоични числа), той показа как може да се изработи релетен ‘електрически сумиращ модул в двоичната система’ — ние го наричаме двоичен суматор. Няколко месеца по-късно един от учените на Bell Labs сглобил такъв суматор на кухненската маса.
Штибиц
Джордж Штибиц (George Stibitz), изследовател от математическия отдел на Bell Labs в Манхатън, в тъмна ноемврийска вечер през 1937 година донесе у дома странен комплект оборудване. Сухи акумулаторни клетки, две малки лампички за апаратните панели и куп плоски реле Type U, намерени в сметището. Добавяйки няколко проводника и малко отпадъци, той сглобил устройство, което можело да събира две единични двоични числа (представени чрез наличието или отсъствието на входно напрежение) и да изведе двуразрядно число с помощта на лампички: едно — включено, нула — изключено.
Двоичен суматор на Штибица
Штибица, с образование по физика, бил помолен да оцени физическите свойства на релейните магнити. Преди това изобщо нямал опит с реле и затова започнал с изучаване на тяхната употреба в телефонните схеми на Bell. Скоро Джордж забелязал сходството между някои схеми и аритметичните операции с двоични числа. Заинтригуван, той сглобил на кухненската маса своя страничен проект.
Първоначалното занимание на Штибица с реле не предизвикало особено интерес у ръководството на Bell Labs. Но през 1938 година ръководителят на изследователската група попитал Джордж дали неговите калкулатори могат да се използват за аритметични операции с комплексни числа (например, a + bi, където i — квадратният корен на отрицателно число). Оказа се, че няколко изчислителни отдела в Bell Labs вече стенат от необходимостта постоянно да умножават и делят такива числа. Умножаването на едно комплексно число изискваше четири аритметични операции на настолен калкулатор, а деленето — 16 операции. Штибиц каза, че може да реши проблема и разработи схема на машина за такива изчисления.
Окончателната конструкция, която беше реализирана от телефонния инженер Самюъл Уилямс (Samuel Williams), беше наречена Компютър за Комплексни Числа — или Комплексен Компютър за краткост — и беше пусната в експлоатация през 1940 г. За изчисленията бяха използвани 450 реле, а междинните резултати се съхраняваха в десет координатни прекъсвача. Данните се въвеждаха и приемаха с помощта на рулонен телетип. В отделите на Bell Labs бе инсталиран три такива телетипа, което показва голямото търсене на изчислителни мощности. Релета, матрици, телетипи — във всяко отношение това беше продукт на системата Bell.
Звездният час на Комплексния Компютър настъпи на 11 септември 1940 г. Штибиц представи доклад за компютъра на среща на Американското математическо общество в Дартмутския колеж. Той уреди там да бъде инсталиран телетип с телеграфно свързване към Комплексния Компютър на Манхатън, на 400 километра разстояние. Желаещите можеха да се приближат до телетипа, да въведат на клавиатурата условията на задачата и да видят как след по-малко от минута телетипът магически отпечатва резултата. Сред онези, които изпробваха нововъведението, бяха Джон Моучли (John Mauchly) и Джон фон Нейман (John von Neumann), всеки от които ще играе важна роля в продължението на нашата история.
Участниците в срещата видяха кратък проблясък на бъдещия свят. По-късно компютрите станаха толкова скъпи, че администраторите вече не можеха да си позволят да стоят без работа, докато потребителят мъдро чеше брадата си пред конзолата за управление, размишлявайки какво да въведе след това. Следващите 20 години учените ще се замислят как да създадат компютри за обща ползва, които винаги да очакват данни от вас, дори и докато работят по нещо друго. И после ще изминат още 20 години, преди този интерактивен режим на изчисления да стане обичайно положение.
Штибиц за интерактивния терминал на Дартмут през 1960-те години. Дартмутският колеж е пионер в сферата на интерактивните изчисления. Штибиц стана професор в колежа през 1964 година.
Удивително е, че, въпреки задачите, които е решавал, Complex Computer по съвременните стандарти е всъщност ненадежден компютър. Той е могъл да извършва аритметични операции с комплексни числа и вероятно да решава и други подобни задачи, но не е бил компютър за обща цел. Той не е бил програмиран. Не е можел да извършва операции в произволен ред или многократно. Това е бил калкулатор, способен да извършва определени изчисления много по-добре от предшествениците си.
С началото на Втората световна война в Bell под ръководството на Штибица е създадена серия компютри с наименования Model II, Model III и Model IV (Complex Computer, съответно, е получил името Model I). Повечето от тях са построени по поръчка на Националния изследователски комитет по въпросите на отбраната, а неговият ръководител е не друг, а Венивар Буш. Штибиц е подобрил схемата на машините с оглед на по-голяма универсалност на функциите и програмираността.
Например, Ballistic Calculator (по-късно — Model III) е разработван за нуждите на системи за управление на зенитната стрелба. Той е пуснат в експлоатация през 1944 година във Форт Блисс, Тексас. Устройството е съдържало 1400 релета и е могло да изпълнява програма от математически операции, определяна от последователността на инструкции на циклична хартия. Поотделно е подавана лента с входни данни и отделно — таблицата с данни. Това е позволявало бързо намиране на стойности, например, тригонометрични функции, без действителни изчисления. Инженерите от Bell са разработили специални търсещи схеми (hunting circuits), които сканират лентата напред и назад, търсейки адреса на необходимото таблично значение независимо от изчисленията. Штибиц е установил, че неговият компютър Model III, който щрака с релета ден и нощ, замества 25—40 калкулатори.
Стойките с релета Bell Model III
Машината Model V вече не е служила за военни нужди. Тя стана още по-универсална и мощна. Ако оценим количеството на изчислителите, които може да замени, тя надминава Model III приблизително десетократно. Няколко изчислителни модула с 9000 релета можеха да получават входни данни от няколко станции, където потребителите въвеждаха условия за различни задачи. Всяка такава станция имаше един лентов четец за данни и пет за инструкции. Това позволяваше при изчисляване на задача с основната лента да се извикват различни подпроцедури. Главният управляващ модул (по същество аналог на операционната система) разпределяше инструкциите между изчислителните модули в зависимост от тяхната наличност, а програмите можеха да изпълняват условни преходи. Това вече не бе просто калкулатор.
Годината на чудесата: 1937-а
1937 година може да се счита за повратна точка в историята на изчислителните машини. Тогава Шенън и Щибиц забелязаха сходството между релетните схеми и математическите функции. Тези заключения доведоха Bell Labs до създаването на цяла серия важни цифрови машини. Това беше нещо като — или даже заместване, — когато скромното телефонно реле, без да променя физическата си форма, стана въплъщение на абстрактната математика и логика.
През същата година в януарския брой на изданието Proceedings of the London Mathematical Society излезе статия на британския математик Алан Тюринг «За изчислимите числа, приложими към » (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). В нея беше описана универсалната изчислителна машина: авторът твърдеше, че тя би могла да извършва действия, логически еквивалентни на действията на хора-изчислители. Тюринг, който през предходната година започна аспирантура в Принстънския университет, също беше заинтригуван от релетните схеми. И, както Буш, бе загрижен от нарастващата заплаха от война с Германия. Затова той се зае с външен криптографски проект — двоичен умножител, който можеше да бъде използван за шифроване на военни съобщения. Тюринг го изгради от релета, събрани в университетския механичен цех.
През 1937 г. Хауърд Айкен (Howard Aiken) размишлява за предполагаемата автоматизирана изчислителна машина. Дипломант по електротехника в Харвард, Айкен извършва значителна част от изчисленията си с помощта на механичен калкулатор и печатни книги с математически таблици. Той предлага конструкция, която би премахнала тази рутина. За разлика от съществуващите изчислителни устройства, тя трябва да обработва автоматично и циклично процесите, използвайки резултатите от предишните изчисления като входни данни за следващите.
Междувременно в Nippon Electric Company телекомуникационният инженер Акира Накашима (Akira Nakashima) от 1935 г. насам изследва връзките между релейни схеми и математиката. Накрая, през 1938 г. той самостоятелно доказва еквивалентността на релейните схеми с булевата алгебра, която Шенън открива година по-рано.
В Берлин Конрад Цузе (Konrad Zuse), бивш авиационен инженер, уморен от безкрайните изчисления, необходими за работата му, търси средства за създаването на втора изчислителна машина. Той не успява да накара първото си механично устройство — V1, да работи надеждно, затова иска да направи релейен компютър, който разработва заедно с приятеля си, телекомуникационния инженер Хелмут Шрайер (Helmut Schreyer).
Универсалността на телефонните релета, изводите за математическата логика, желанието на ярките умове да се освободят от уморителната работа — всичко това се преплета и води до появата на концепция за логическа машина от нов тип.
Забравеното поколение
Плодовете на откритията и разработките от 1937 г. трябваше да узреят няколко години. Войната се оказа най-мощното тор, а с нейното настъпване релейните компютри започнаха да се появяват навсякъде, където имаше необходимата техническа експертиза. Математическата логика стана решетка за лозите на електротехниката. Появиха се нови форми на програмируеми изчислителни машини — първоначалният чертеж на съвременните компютри.
В допълнение към машините Штибица, до 1944 г. САЩ можеха да се похвалят с устройството Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), резултат от предложението на Айкен. Двойното наименование възниква поради влошаването на отношенията между академичната среда и индустрията: всички претендираха за устройството. Mark I / ASCC използваше управляващи релейни схеми, но основният аритметичен модул беше построен по архитектурата на механичните калкулатори на IBM. Машината беше създадена за нуждите на бюрото по корабостроене на САЩ. Нейната наследница Mark II започна работа през 1948 г. на изпитателния полигон на ВМС, като всички нейни операции бяха изградени изцяло на релейни схеми — на 13 хиляди релета.
Цузе по време на войната построи няколко релейни компютъра, все по-сложни. Кулминацията беше V4, който, както и Bell Model V, включваше инсталации за извикване на подпрограми и изпълняваше условни преходи. Поради недостига на материали в Япония, нито едно от разработките на Накашима и неговите сънародници не беше реализирано в метал, докато страната не се възстанови след войната. През 1950-те години, новосформираното министерство на външната търговия и промишлеността финансирало създаването на две релейни машини, втората от които беше монстър с 20 хиляди реле. Компанията Fujitsu, участваща в създаването, разработи свои собствени търговски продукти.
Днес тези машини почти напълно са забравени. В паметта остава само едно име — ЕНИАК (ENIAC). Причината за забвението не е свързана с тяхната сложност, или възможности, или скорост. Изчислителните и логически свойства на релетата, открити от учени и изследователи, се отнасят до всякакъв вид устройства, които могат да действат като превключватели. И така се случи, че имаше друго подобно устройство — електронен превключвател, който можеше да сработва стотици пъти по-бързо от релета.
Важността на Втората световна война в историята на животa на компютрите вече трябва да е очевидна. Най-ужасната война доведе до развитието на електронни машини. Нейният старт освободи ресурсите, необходими за преодоляване на очевидните недостатъци на електронните превключватели. Властта на електромеханичните компютри се оказа краткотрайна. Подобно на титаните, те бяха свалени от техните деца. Както релея, електронната комутация възникна благодарение на нуждите на телекомуникационната индустрия. А за да разберем откъде е произлязла, трябва да се върнем назад в историята до момента в зората на ерата на радиото.
Източник: habr.com
