Други статии от цикъла:
- История на релето
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- История на интернет
Както видяхме в , радио и телефонни инженери в търсене на по-мощни усилватели откриха нова технологична област, която бързо нарекоха електроника. Електронният усилвател лесно може да бъде преобразуван в цифров превключвател, работещ с много по-голяма скорост от неговия електромеханичен роднина – телефонното реле. Благодарение на отсъствието на механични части електронната лампа може да се включва и изключва за микросекунди или дори по-бързо, вместо за десетина милисекунди или повече, каквито бяха необходими на релето.
От 1939 до 1945 година на базата на тези нови електронни компоненти бяха създадени три компютъра. Датите на тяхното изграждане не са случайно съвпаднали с периода на Втората световна война. ТConflict – без прецедент в историята по начина, по който вплита хората в яремотo на войната – завинаги промени отношенията както между държавите, така и между науката и технологията, като донесе на света множество нови устройства.
Историите на трите първи електронни компютри са сплетени с войната. Първият беше посветен на декодирането на немски съобщения и оставал под покривалото на секретност до 70-те години, когато вече не представляваше интерес, освен исторически. Вторият, за който повечето читатели вероятно са чували, беше ENIAC, военен калкулатор, който беше завършен твърде късно, за да помогне в конфликта. Но тук ще разгледаме най-ранната от трите машини, творение .
Атанасов
През 1930 година Атанасов, роден в Америка син на емигрант от , най-накрая постигна юношеската си мечта и стана теоретичен физик. Но, както при повечето подобни стремления, реалността не се оказа такава, каквато е очаквал. По-специално, както повечето студенти по инженерство и физика от първата половина на XX век, Атанасов трябваше да страда от мъчителните тегоби на постоянните изчисления. Неговата дисертация в Университета на Уисконсин за поляризацията на хелия изискваше осем седмици досадни изчисления с помощта на механичен настолен калкулатор.
Джон Атанасов в младостта си
До 1935 година, вече устроен като професор в Университета на щата Айова, Атанасов решава да направи нещо по въпроса. Той започва да обмисля възможните начини за изграждане на нова, по-мощна изчислителна машина. Отхвърляйки аналоговите методи (като диференциалния анализатор на MIT) поради ограничения и неточности, той решава да построи цифрова машина, която да работи с числа като дискретни стойности, а не като с непрекъснати измерения. От младостта си той е запознат с двоичната бройна система и разбира, че тя много по-добре се вписва в структурата на включване/изключване на цифровия превключвател, отколкото познатите десетични числа. Затова той решава да направи двоична машина. И накрая, той решава, че за да бъде най-бърза и гъвкава, тя трябва да бъде електронна и да използва електронни лампи за изчисления.
Атанасов трябваше да определи и пространството на задачите — за какви точно изчисления трябва да бъде неговият компютър? В крайна сметка той решава, че ще се занимава с решаването на системи от линейни уравнения, свеждайки ги до една единствена променлива (чрез ) — такива същите изчисления, които преобладаваха в неговата дисертация. Той ще поддържа до тридесет уравнения, до тридесет променливи на всяко. Тази машина можеше да решава важни задачи за учените и инжинерите, и в същото време не изглеждаше невероятно сложна.
Произведение на изкуството
Към средата на 30-те години електронната технология е достигнала изключително разнообразие в сравнение с източниците, появили се 25 години по-рано. Две разработки особено добре подхождаха на проекта на Атанасов: реле-триггер и електронен брояч.
От XIX век инженерите на телеграфа и телефона разполагали с удобно устройство, наречено превключвател. Превключвателят е бистабилно реле, което използва постоянни магнити, за да остане в състояние, в което сте го оставили — отворено или затворено — докато не получи електрически сигнал за превключване на състоянията. Но електронните лампи не бяха способни на това. Те нямаха механичен компонент и можеха да бъдат "отворени" или "затворени" само докато електричеството течеше или не течеше през схемата. През 1918 година двама британски физици, Уилям Екълс и Франк Джордан, свързали с проводници две лампи, така че получило "реле-триггер" — електронно реле, което остава включено след активиране от начален импулс. Екълс и Джордан създават своята система за телекомуникационни цели за британското адмиралтейство в края на Първата световна война. Но схемата на Екълс и Джордан, впоследствие известна като триггер [англ. flip-flop], може да се счита и за устройство за съхранение на двоична цифра — 1, ако сигналът се предава, и 0 в противен случай. По този начин чрез n триггера можеше да бъде представено двоично число с n разряда.
Десет години след триггера настъпи вторият сериозен пробив в електрониката, който се сблъсква с света на изчисленията: електронни броячи. И отново, както често се случваше в ранната история на изчисленията, скуката стана майка на изобретението. Физиците, изучаващи излъчването на субатомни частици, трябваше да слушат щракания или да прекарат часове, изучавайки фотографски записи и брояйки открития, за да измерят скоростта на излъчване на частици от различни вещества. Механичните или електромеханичните броячи представляваха примамлива възможност за облекчаване на тези действия, но те се движат твърде бавно: не можеха да регистрират множество събития, случващи се със разлики в милисекунди.
Ключова фигура в решението на този проблем стана , работил под ръководството на Ърнест Резърфорд в Кавендишката лаборатория в Кеймбридж. Уинн-Уилиямс беше ловък в работата с електроника и вече използваше лампи (или клапани, както ги наричаха в Британия) за създаване на усилватели, с помощта на които можеше да се чуе какво се случва с частиците. В началото на 30-те години той осъзна, че клапаните могат да се използват за създаване на брояч, който той нарече „брояч с двоичен мащаб“ — т.е. двоичен брояч. По същество това беше набор от тригери, които можеха да предават превключвания нагоре по веригата (на практика той използваше , видове лампи, които съдържат не вакуум, а газ, които можеха да остават в включено състояние след пълна йонизация на газа).
Броячът на Уинн-Уилиямс бързо стана необходим инструмент за всички, които се занимаваха с физика на частиците. Физиците изграждаха много малки броячи, често съдържащи по три знака (т.е. способни да броят до седем). за бавен механичен брояч и за записване на събития, които се случваха по-бързо, отколкото механичният брояч с бавни движещи се части можеше да регистрира.
Но теоретично тези броячи можеха да бъдат разширени до произволни числа или точност. Строго погледнато, това бяха първите цифрови електронни изчислителни устройства.
Компютърът Атанасова-Бери
Атанасов беше запознат с тази история, което го убеди в възможността за изграждането 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 изменени броячи — нали какво е събирането, ако не поредно броене? Но поради някакви причини той не успя да направи броячните вериги достатъчно надеждни и трябваше да разработи собствените си схеми за събиране и умножение. Той не можа да използва тригери за временно съхранение на двоични числа, тъй като имаше ограничен бюджет и беше поставена 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 е нужен човек с подходящите знания, за да го построи. Той открива такъв човек в лицето на завършилия инженерния факултет на Държавния университет на Айова, наречен Клифърд Бери. В края на годината Атанасов и Бери изграждат малък прототип. На следващата година те завършват пълната версия на компютъра с тридесет коэффициенти. През 1960-те години писател, който разкрива техния труд, я нарича компютър на Атанасов-Бери (Atanasoff-Berry Computer, ABC), и името се утвърдило. Въпреки това, не успяват да отстранят всички недостатъци. В частност, ABC дава грешка от около една двоична цифра на 10000, което за всяко голямо изчисление би било фатално.
Клифърд Бери и ABC през 1942 г.
Въпреки това, в Атанасов и неговия ABC могат да се намерят корените и източникът на всички съвременни компютри. Не създаде ли той (с умелата помощ на Бери) първия двоичен електронен цифров компютър? Нима не са това основните характеристики на милиарди устройства, които формират и управляват икономиката, обществото и културата в целия свят?
Но да се върнем назад. Прилагателните цифров и двоичен не са привилегия на ABC. Например, компютърът за комплексни числа на Бел (Bell Complex Number Computer, CNC), разработен приблизително по същото време, е цифров, двоичен, електромеханичен компютър, способен да извършва изчисления в комплексната равнина. Също така ABC и CNC са били подобни по това, че решават задачи в ограничена област и не могат, за разлика от съвременните компютри, да приемат произволна последователност от инструкции.
Остава „електронен“. Но, въпреки че математическите вътрешности на ABC са били електронни, той работил на електромеханични скорости. Тъй като Атанасов и Бери по финансови причини не могли да използват електронни лампи за съхранение на хиляди двоични цифри, те използвали електромеханични компоненти за тази цел. Няколко стотин триода, извършващи основни математически изчисления, били обградени от въртящи се барабани и жужащи перфориращи машини, където се съхранявали междинните стойности на всички изчислителни стъпки.
Атанасов и Берри извършили героична работа по четене и записване на данни на перфокарти с невероятна скорост, пробивайки ги с електричество, вместо да правят механични дупки. Но това доведе до свои проблеми: именно устройството за пробиване носеше отговорност за 1 грешка на 10,000 числа. Още повече, дори при най-големите им усилия, машината не можеше да 'пробива' по-бързо от един ред в секунда, затова ABC можеше да извърши само едно изчисление в секунда с всяко от тридесетте аритметични устройства. Останалото време електронните лампи стояха без работа, в нетърпение 'удряйки пръсти по масата', докато цялата тази механизация мъчително бавно се въртеше около тях. Атанасов и Берри прикрепили породист жребец към фургона със сеното. (Ръководителят на проекта за възстановяване на ABC през 90-те години оценява максималната скорост на машината, вземайки предвид всички загуби на време, включително работата на оператора по задаване на задачите, на пет събирания или изваждания в секунда. Това е, разбира се, по-бързо от човешкия изчислител, но не и онази скорост, която свързваме с електронните компютри.)
Схема на ABC. Барабаните съхранявали временно вход и изход на кондензатори. Тиратронната схема за пробиване на карти и четецът на карти записвали и четели резултатите от цялостната стъпка на работата на алгоритъма (премахвайки една от променливите от системата на уравненията).
Работата по ABC спря в средата на 1942 година, когато Атанасов и Берри се записаха в бързо нарастващата военна машина на САЩ, където бяха необходими не само тела, но и умове. Атанасов беше призован в Морската артилерийска лаборатория във Вашингтон, за да ръководи екип, разработващ акустични мини. Берри се ожени за секретарката на Атанасов и намери работа в контрактна компания, работеща за военните в Калифорния, за да не бъде призован на война. Атанасов за известно време се опита да патентова своето творение в щата Айова, но безуспешно. 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 новия завършил института.
Възможно е Атанасов просто да е започнал работа твърде рано. Той се е основавал на скромни университетски грантове и е могъл да похарчи само няколко хиляди долара за създаването на ABC, поради което икономията е изпреварила всички останали проблеми в проекта му. Ако беше изчакал до началото на 40-те години, вероятно щеше да получи правителствен грант за пълноценен електронен уред. И в такова състояние — с ограничено приложение, сложно управление, ненадеждност и не много бърз — ABC не представляваше обещаваща реклама за ползите от електронното изчисление. Американската военна машина, въпреки целия си глад за изчислителни мощности, остави ABC да ръждясва в градчето Еймс, щата Айова.
Изчислителни машини на войната
Първата световна война създаде и стартира система за масирано инвестиционно нарастване в науката и технологиите, подготвяйки я за Втората световна. Само за няколко години практиката на войната на земята и на морето премина към използването на отровни газове, магнитни мини, въздушна разузнавателна дейност и бомбардировки и др. Никой политически или военен лидер не можеше да игнорира толкова бързи промени. Те бяха толкова бързи, че рано започнатите изследвания можеха да наклонят везната в едната или другата посока.
В САЩ имаше достатъчно материали и умове (много от които избягаха от хитлеристка Германия) и те бяха извън непосредствените битки за оцеляване и доминиране, които засегнаха други държави. Това позволи на страната да усвои този урок особено ясно. Това се прояви в масовите индустриални и интелектуални ресурси, които бяха насочени към създаването на първото атомно оръжие. По-малко известна, но не по-малко важна или по-малка по обем инвестиция беше вложението в разработването на радарна технология, център на която беше MIT в Рад Лаб.
Така и нововъзникващата област на автоматичните изчисления получи своя дял от военното финансиране, макар и в много по-малки мащаби. Вече споменахме разнообразието от електромеханични изчислителни проекти, породени от войната. Потенциалът на релейните компютри беше известен, тъй като телефонните станции с хиляди реле работеха вече много години досега. Електронните компоненти все още не бяха доказали своята работоспособност на такива мащаби. Повечето експерти смятаха, че електронният компютър ще бъде неизбежно ненадежден (ABC служеше за пример) или че изграждането му ще отнеме твърде много време. Въпреки неочаквания приток на държавни средства, военното производство на електронни изчисления беше оскъдно и рядко. Бяха започнати само три проекта, от които само два доведоха до появата на работещи машини.
В Германия инженерът по телекомуникации Хелмут Шрайер доказа на приятеля си Конрад Цузе стойността на електронната машина пред електромеханичния „V3“, който Цузе изграждаше за въздухоплавателната индустрия (впоследствие станал известен като Z3). В крайна сметка Цузе се съгласи да работи по втория проект заедно със Шрайер, а Институтът за изследване на авиацията предложи финансиране за прототипа на 100 лампи в края на 1941 г. Но двамата мъже първо се ангажираха с по-приоритетна военна работа, а след това работата им бе значително забавена от повредите, причинени от бомбардировките, в резултат на което не успяха да накарат машината си да работи надеждно.
Цузе (вдясно) и Шрайер (вляво) работят върху електромеханичния компютър в берлинската квартира на родителите на Цузе
А първият електронен компютър, извършващ полезна работа, беше създаден в секретна лаборатория в Британия, където инженер по телекомуникации предложи нов радикален подход към криптоанализа, основаващ се на клапани. Тази история ще разгледаме следващия път.
Какво още да прочетете:
• Алиса Р. Бъркс и Артър У. Бъркс, Първият електронен компютър: Историята на Атънсоф (1988)
• Дейвид Ричи, Компютърните пионери (1986)
• Джейн Смайли, Човекът, който изобрети компютъра (2010)
Източник: habr.com
