Други статии от цикъла:
- История на реле
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- История на интернет
Как видяхме в , радиоинженерите и телефонните инженери, търсейки по-мощни усилватели, откриха нова технологична област, която бързо нарекоха електроника. Електронният усилвател можеше лесно да се превърне в цифров превключвател, работещ с много по-голяма скорост от неговия електромеханичен роднина – телефонното реле. Поради отсъствието на механични части, електронната лампа можеше да се включва и изключва за микросекунда или дори по-бързо, а не за десетина милисекунди или повече, каквито бяха необходими на релето.
От 1939 до 1945 година на базата на тези нови електронни компоненти бяха изградени три компютъра. Датите на тяхното построяване не са случайни и съвпадат с периода на Втората световна война. Този конфликт – безпрецедентен в историята по начина, по който принуждаваше хората да впрегнат колесниците на войната – завинаги промени взаимоотношенията както между държавите, така и между науката и технологията, а също така донесе на света много нови устройства.
Историите на трите първи електронни компютри са преплетени с войната. Първият беше посветен на дешифрирането на немски съобщения и оставаше в тайна до 70-те години, когато вече не представляваше интерес освен исторически. Вторият, за който повечето читатели вероятно са чували, беше ENIAC, военен калкулатор, който завършиха твърде късно, за да помогне в войната. Но тук ще разгледаме най-ранната от тези три машини, творение .
Атанасов
През 1930-а година Атанасов, роден в Америка син на емигрант от , най-накрая осъществи мечтата си от младостта и стана теоретичен физик. Но, както при много подобни стремления, реалността се оказа различна от това, което той беше очаквал. В частност, както повечето студенти по инженерство и физика от първата половина на 20-ти век, Атанасов трябваше да страда от болезнени мъки на постоянните изчисления. Неговата дисертация в Университета на Уисконсин по поляризация на хелия изискваше осем седмици мъчителни изчисления с помощта на механичен настолен калкулатор.
Джон Атанасов в юношеството си
Към 1935 година, вече установен като професор в Щатния университет на Айова, Атанасов решава да направи нещо с това бреме. Той започва да обмисля възможни пътища за изграждане на нова, по-мощна изчислителна машина. Отхвърляйки аналоговите методи (като диференциалния анализатор на MIT) поради ограниченията и неточностите им, той решава да построи цифрова машина, която да работи с числа като дискретни стойности, а не като непрекъснати измерения. Той от млада възраст е запознат с бинарната бройна система и разбира, че тя много по-добре се вписва в структурата на цифров превключвател вкл/изкл, отколкото познатите десетични числа. Затова решава да направи бинарна машина. И накрая, решава, че за да бъде възможно най-бърза и гъвкава, тя трябва да бъде електронна и да използва електронни лампи за изчисления.
Атанасов трябва да реши и в какво пространство на задачи – за какви именно изчисления трябва да бъде пригоден неговият компютър? В крайна сметка той решава, че ще се занимава с решаването на системи от линейни уравнения, свързвайки ги до единствена променлива (чрез ) – такива съществени изчисления, каквито преобладаваха в неговата дисертация. Той ще поддържа до тридесет уравнения, до тридесет променливи в всяко. Такъв компютър би могъл да решава важни задачи за учени и инженери, и в същото време не изглеждаше да бъде изключително сложен.
Произведение на изкуството
Към средата на 1930-те години електронната технология е достигнала изключително разнообразие в сравнение с началото, появило се 25 години по-рано. Две разработки особено добре подхождаха на проекта на Атанасов: реле-триггер и електронен брояч.
От XIX века инженеры телеграфа и телефона располагали удобным устройством, называемым переключателем. Переключатель — это бистабильное реле, использующее постоянные магниты для удержания его в состоянии, в котором вы его оставили — открытом или закрытом — до тех пор, пока не получит электрический сигнал для смены состояния. Однако электронные лампы не могли это делать. У них не было механического компонента, и они могли быть «открыты» или «закрыты» в зависимости от того, течет электричество или нет. В 1918 году два британских физика, Уильям Эклз и Фрэнк Джордан, соединяли две лампы так, чтобы получилось «реле-триггер» — электронное реле, которое постоянно оставалось включенным после активации начальным импульсом. Эклз и Джордан создали свою систему для телекоммуникационных нужд Британского адмиралтейства в конце Первой мировой войны. Но контур Эклза-Джордана, впоследствии ставший известным как триггер [англ. flip-flop], также можно было рассматривать как устройство для хранения двоичной цифры — 1, если сигнал передается, и 0 в противном случае. Таким образом, с помощью n триггеров можно было представить двоичное число n разрядов.
Спустя около десяти лет после триггера произошло второе значительное достижение в электронике, оказавшее влияние на мир вычислений: электронные счётчики. И снова, как это часто случалось в ранней истории вычислений, скука стала матерью изобретения. Физикам, изучающим излучение субатомных частиц, приходилось либо слушать щелчки, либо часами просматривать фотографические записи, подсчитывая количество обнаружений для измерения скорости излучения частиц разными веществами. Механические или электромеханические счётчики представляли собой заманчивую возможность облегчить эти задачи, но они были слишком медлительны: они не могли зафиксировать множество событий, происходивших с разницей в миллисекунды.
Ключевой фигурой в решении этой проблемы стал , работил под ръководството на Ърнест Резърфорд в лабораторията Кавендис в Кеймбридж. Уинн-Уилямс умело боравел с електрониката и вече беше използвал лампи (или клапани, както ги наричаха във Великобритания) за създаване на усилватели, които позволяваха да се чуят събитията, случващи се с частиците. В началото на 30-те години на миналия век той осъзна, че клапаните могат да се използват за създаването на брояч, който нарече „брояч с двоична скала“ — тоест, двоичен брояч. По същество, това беше набор от тригери, които можеха да предават превключвания нагоре по веригата (в практиката той използва , видове лампи, съдържащи не вакуум, а газ, които можеха да остават включени след пълна йонизация на газа).
Броячът на Уинн-Уилямс бързо стана необходим инструмент в лабораторната апаратура за всички, които се занимаваха с физика на частиците. Физиците изграждаха много малки броячи, често съдържащи три знака (тоест, способни да броят до седем). за бавен механичен брояч и за записване на събития, ставащи по-бързо, отколкото механичните части на брояча можеха да регистрират.
Но теоретично, с такива броячи можеше да се разширят до произволно големи или точни числа. Те бяха, строго казано, първите цифрови електронни броячни машини.
Компютърът Атанасова-Бери
Атанасов беше запознат с тази история, което го убеди за възможността за изграждане на електронен компютър. Но той не реши да използва директно двоични броячи или тригери. Първоначално, за основа на системата за броене, той се опита да използва малко променени броячи — налице знаете, че събирането е просто повтарящо се броене? Но по някакви причини не успя да направи броячните вериги достатъчно надеждни и трябваше да разработи свои схеми за събиране и умножение. Не можеше да използва тригери за временно съхранение на двоични числа, тъй като имаше ограничен бюджет и си беше поставил амбициозна цел за едновременно съхранение на тридесет коефициента. Както скоро ще видим, тази ситуация имаше сериозни последици.
До 1939 година Атанасов завършва проектирането на своя компютър. Сега му бе нужен човек с подходящи знания за неговото изграждане. Той намери такъв човек в лицето на дипломирания инженер от Иветския университет в Айова - Клиффорд Бери. В края на годината Атанасов и Бери изградиха малък прототип. През следващата година те завършиха пълната версия на компютъра с тридесет коефициента. През 1960-те години писател, който разкри тяхната история, го нарече компютъра Атанасов-Бери (Atanasoff-Berry Computer, ABC), и името се закрепи. Въпреки това, не успяха да отстранят всички недостатъци. По-специално, ABC даваше грешка от около една двоична цифра на 10 000, което би било фатално за всяко сериозно изчисление.
Клиффорд Бери и ABC през 1942 година
Все пак корените и източникът на всички съвременни компютри могат да бъдат намерени в Атанасов и неговия ABC. Нали не той (с умелата помощ на Бери) създаде първия двоичен електронен цифров компютър? Нали не това са основните характеристики на милиарди устройства, които формират и управляват икономиката, обществото и културата по целия свят?
Но да се върнем назад. Прилагателните цифров и двоичен не са привилегия само на ABC. Например, компютърът за комплексни числа на Бел (Bell Complex Number Computer, CNC), разработен приблизително по същото време, беше цифров, двоичен и електромеханичен компютър, способен на изчисления в комплексната равнина. Също така ABC и CNC бяха сходни по това, че решаваха задачи в ограничена област и не можеха, за разлика от съвременните компютри, да приемат произволна последователност от инструкции.
Остава "електронен". Но, въпреки че математическите вътрешности на ABC бяха електронни, той работеше с електромеханични скорости. Тъй като Атанасов и Бери по финансови причини не можеха да използват електронни лампи за съхранение на хиляди двоични цифри, те използваха за тази цел електромеханични компоненти. Няколко стотин триода, които извършваха основните математически изчисления, бяха обградени от въртящи се барабани и жужащи перфориращи машини, където се съхраняваха междинните стойности на всички изчислителни стъпки.
Атанасов и Берри извършиха героична работа, записвайки и четейки данни на перфокарти с огромна скорост, пробивайки ги с електрическа енергия вместо механично. Но това доведе до своите проблеми: именно апаратът за пробиване беше причина за 1 грешка на 10000 числа. Освен това, дори при най-големите им усилия, машината не можеше да "пробива" по-бързо от една линия в секунда, така че ABC можеше да извърши само едно изчисление в секунда с всяко от тридесетте аритметични устройства. Останалото време електронните лампи седяха без работа, нетърпеливо "докосвайки се до масата", докато цялата тази машина се въртеше мъчително бавно около тях. Атанасов и Берри прикачиха чистокръвен кон към каруцата с сено. (Ръководителят на проекта за възстановяване на ABC през 1990-те години оценява максималната скорост на машината, взимайки предвид всички разходи на време, включително работата на оператора по задаване на задачата, на пет събирания или изваждания в секунда. Това, разбира се, е по-бързо от човек-изчислител, но не е онази скорост, която свързваме с електронните компютри.)
Схемата на ABC. Барабаните съхраняваха временно входа и изхода на кондензатори. Тиратронната схема за пробиване на картите и четецът на карти записваха и считаха резултатите от цялата стъпка на алгоритъма (отстранявайки една от променливите от системата уравнения).
Работата по ABC спря в средата на 1942 година, когато Атанасов и Берри се записаха в бързо растящата военна машина на САЩ, където бяха нужни не само тела, но и умове. Атанасов беше призован в Морската артилерийска лаборатория във Вашингтон, за да ръководи екип, който разработваше акустични мини. Берри се ожени за секретарката на Атанасов и намери работа в компания, работеща по договор с армията в Калифорния, за да не бъде призован за война. Атанасов за известно време се опитваше да патентова своето творение в щата Айова, но без успех. След войната той се захвана с други неща и повече не се занимаваше сериозно с компютри. Самият компютър беше изпратен на сметището през 1948 година, за да освободи място в офиса за ново завършено лице от института.
Възможно е Атанасов просто да е започнал работа твърде рано. Той е разчитал на скромни университетски грантове и е могъл да похарчи само няколко хиляди долара за създаването на ABC, затова икономията е надделяла над всички останали проблеми в неговия проект. Ако беше изчакал до началото на 1940-те години, можеше да получи правителствен грант за пълнофункционално електронно устройство. А в такова състояние — с ограничено приложение, сложна работа, ненадеждност и не особена бързина — ABC не се е оказало многообещаваща реклама за полезността на електронните изчисления. Въпреки всичките си нужди от изчисления, американската военна машина оставила ABC да ръждясва в малкия град Еймс, Айова.
Военни изчислителни машини
Първата световна война създаде и стартира система за масирано инвестиране в наука и технологии, подготвяйки я за Втората световна. За няколко години практиката на водене на война на сушата и в морето премина към използване на отровни газове, магнитни мини, въздушна разузнавателна дейност, бомбардиране и др. Нито един политически и военен лидер не можеше да не забележи такива бързи промени. Те бяха толкова бързи, че започнатите рано изследвания можеха да наклонят везните в едната или другата посока.
В САЩ имаше достатъчно материали и умове (много от които избягаха от хитлеристка Германия), и те бяха настрана от непосредствените битки за оцеляване и доминиране, засегнали другите държави. Това позволи на страната да усвои този урок особено ясно. Той се прояви в това, че обширните индустриални и интелектуални ресурси бяха насочени към създаването на първото атомно оръжие. По-малко известна, но не по-малко важна или значима инвестиция беше вложението в разработката на радарна технология, центърът на която се намираше в MIT в Rad Lab.
Така новата сфера на автоматичните изчисления получи своя дял от военното финансиране, макар и в значително по-малки мащаби. Вече отбелязахме разнообразието от електромеханични изчислителни проекти, породени от войната. Потенциалът на компютрите на базата на реле беше, относително казано, известен, тъй като телефонните станции с хиляди релета вече работеха много години. Електронните компоненти все още не доказаха своята работоспособност на такива масштабни проекти. Повечето експерти считаха, че електронният компютър неминуемо ще бъде ненадежден (ABC служи за пример), или че неговото изграждане ще отнеме твърде много време. Независимо от внезапния приток на държавни средства, военното финансиране за електронни изчисления беше малко и рядко. Стартираха само три проекта, и само два от тях доведоха до появата на работещи устройства.
В Германия инженерът по телекомуникации Хелмут Шрайер доказа на своя приятел Конрад Цузе стойността на електронната машина пред електромеханичната „V3“, която Цузе строеше за авиационната индустрия (по-късно стана известен като Z3). В крайна сметка Цузе се съгласи да работи по втория проект заедно с Шрайер, а Институтът за изследване на авиацията предложи финансиране за прототип с 100 лампи в края на 1941 година. Но двамата мъже първо се заеха с по-приоритетна военна работа, а след това работата им беше значително забавена от повреди, причинени от бомбардировки, в резултат на което така и не успяха да накарат машината си да работи надеждно.
Цузе (вдясно) и Шрайер (вляво) работят над електромеханичен компютър в берлинския апартамент на родителите на Цузе.
Първият електронен компютър, който изпълняваше полезна работа, беше създаден в тайна лаборатория в Британия, където инженерът по телекомуникации предложи нов радикален подход към криптоанализата, основан на клапани. Тази история ще разгледаме в следващата част.
Какво още да прочетете:
• Алис Р. Бъркс и Артър У. Бъркс, Първият електронен компютър: Историята на Атансоф (1988)
• Дейвид Ричи, Компютърните пионери (1986)
• Джейн Смайли, Човекът, който изобрети компютъра (2010)
Източник: habr.com
