Други статии от цикъла:
- История на реле
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- История на интернет
Вторият проект за създаване на електронен компютър, появил се в резултат на войната, както и "Колосът", е изисквал множество умове и ръце за плодотворната реализация. Но, както и "Колосът", той никога нямаше да се появи, ако не беше един единствен човек, одержим от електрониката. В този случай той се казваше .
Историята на Моучли е преплетена с историята на Джон Атанасов по загадъчни и подозрителни пътища. Както помните, оставихме Атанасов и неговия асистент Клод Бери през 1942 година. Те прекратиха работата си по електронния компютър и се насочиха към други военни проекти. Моучли имаше много общо с Атанасов: и двамата бяха професори по физика в малко известни институти, без престиж и авторитет в широките академични среди. Моучли страдаше в изолация като учител в малкия Колеж Урсинус в покрайнините на Филаделфия, който не притежаваше дори такъв скромен престиж, какъвто имаше щата Айова, където работеше Атанасов. Никой от тях не направи нищо, за да привлече вниманието на по-елитарните си колеги от, да кажем, Чикагския университет. Въпреки това и двамата бяха погълнати от ексцентричната идея: да построят изчислителна машина от електронни компоненти, същите части, от които се произвеждаха радиото и телефонните усилватели.
Джон Моучли
Предсказвайки времето
За известно време между тези двама мъже се установи определена връзка. Те се срещнаха в края на 1940-те години на конференция на Американската асоциация за напредък на науката (American Association for the Advancement Science, AAAS) във Филаделфия. Там Моучли направи презентация на своето изследване на цикличните закономерности в данните за времето с помощта на разработения от него електронен хармоничен анализатор. Това беше аналогов компютър (т.е. представящ стойностите не в цифров вид, а в физически величини, в този случай, ток — колкото повече ток, толкова по-висока стойност), работещ подобно на механичния предсказвач на приливи, разработен от Уилям Томсън (по-късно станал лорд Келвин) в 1870-те години.
Атанасов, който седеше в залата, знаеше, че е намерил приятел за своето самотно пътешествие в страната на електронните изчисления, и не се колебаеше, а се приближи до Моучли след неговото изказване, за да му разкаже за машината, която е построил в Еймс. Но за да се разбере как Моучли е попаднал на сцената с презентацията на електронния метеорологичен компютър, е необходимо да се върнем към неговите корени.
Моучли е роден през 1907 г. в семейството на физика Себастиян Моучли. Както много от неговите връстници, той още като момче се е заинтересувал от радиото и електронните лампи, и е колебаел между кариерата на електронен инженер и физик, преди да реши да се концентрира върху метеорологията в Университета Джон Хопкинс. За съжаление, след дипломирането си той попада направо в лапите на Голямата депресия и е благодарен, че получава работа в Урсинус през 1934 г. като единствен член на физическия факултет.
Колеж Урсинус през 1930 г.
В Урсинус той се заема с проекта на мечтите си — да разгадае скритите цикли на глобалната природна машина и да научи как да предсказва времето не за дни, а за месеци и години напред. Той бе убеден, че Слънцето управлява метеорологичните закономерности, продължаващи в продължение на години, свързани със слънчевата активност и петна. Той искаше да извлече тези закономерности от огромното количество данни, натрупани от американското метеорологично бюро, с помощта на студенти и набор настолни калкулатори, закупени за стотинки от фалирали банки.
Скоро стана ясно, че данните са твърде много. Машините не можеха да извършват изчисления достатъчно бързо и освен това започнаха да се появяват и човешки грешки при постоянното копиране на междинните резултати от машината на хартия. Моучли започна да мисли за друг начин. Той знаеше за броячите на електронни лампи, създадени първоначално от Чарлз Уинн-Уилямс, които неговите колеги физици използваха за преброяване на субатомни частици. Въз основа на това, че електронните устройства очевидно можеха да записват и натрупват числа, Моучли се заинтригува и запита защо да не могат да извършват по-сложни изчисления? В продължение на няколко години в свободното си време той експериментираше с електронни компоненти: превключватели, броячи, машини за подстановъчни шифри, които комбинираха електронни и механични елементи, и хармоничен анализатор, използван от него за проект за прогнозиране на времето, който извличаше данни, подобни на многоседмични закономерности на колебанията в нивото на валежите. Точно това откритие доведе Моучли на AAAS през 1940 г., а след това и Атанасова при него.
Посещение
Ключовото събитие в отношенията между Моучли и Атанасова се случи шест месеца по-късно, в началото на лятото на 1941 г. В Филаделфия Атанасов разказа на Моучли за изградената от него електронна компютърна система в Айова и спомена колко евтино е струвала. В последващата им кореспонденция той продължи да прави интригуващи намеци за това как е построил компютъра си, който струва не повече от 2 $ на разряд. Моучли се заинтересува и беше впечатлен от това постижение. По това време той вече имаше сериозни планове за изграждане на електронен калкулатор, но без подкрепа от колежа щеше да му се наложи да плати за всичкото оборудване от собствен джоб. Обикновено за една лампа искаха 4 $, а за съхранение на една двоична цифра бяха необходими поне две лампи. Как, мислеше той, Атанасов успя да спести толкова много?
Шест месеца по-късно той, накрая, имаше време да пътува на запад, за да задоволи любопитството си. След полутора хиляди километра с кола, през юни 1941 година, Моукли с сина си пристигнаха на гости при Атанасов в Еймс. Моукли по-късно разказваше, че е заминал разочарован. Евтиното хранилище за данни на Атанасов не беше изцяло електронно и работеше с електростатични заряди на механичен барабан. Поради това и поради други механични части, както вече видяхме, той не можеше да извършва изчисления на скорости, дори приближаващи се до тези, за които мечтаеше Моукли. По-късно той нарече това „механична безделушка, използваща няколко електронни лампи“. Въпреки това, скоро след посещението, той написа писмо, възхваляващо машината на Атанасов, като пишеше, че тя е „електронна по същество и решава за няколко минути всяка система от линейни уравнения, включваща не повече от тридесет променливи“. Той твърдеше, че тя би могла да бъде по-бърза и по-евтина от механичния Буша.
Тридесет години по-късно отношенията между Моукли и Атанасов ще станат ключови в съдебния спор между Honeywell и Sperry Rand, в резултат на който заявки за патенти за създадения от Моукли електронен компютър бяха анулирани. Не споменавайки нищо относно самата заслуга на патента, въпреки че Атанасов беше по-опитен инженер, и предвид съмнителното мнение на Моукли за компютъра на Атанасов, изказано впоследствие, няма никакви причини да се подозира, че Моукли е научил или копирал нещо важно от работата на Атанасов. Но по-важното е, че схемата ENIAC няма нищо общо с компютъра на Атанасов-Бери. Максимумът, който може да се заяви, е, че Атанасов е вдъхновил увереността на Моукли, доказвайки, че електронният компютър може да функционира.
Училище Мура и Абердин
В това време Моучли се оказал на същото място, от което е започнал. Не съществуваше магически трик за евтин електронен склад и докато той оставал в Урсинус, нямал средствата да реализира електронната си мечта. И тогава му провървяло. През лятото на 1941 година той учил на летен курс по електроника в Инженерното училище на Мур при Университета на Пенсилвания. По това време Франция вече била окупирана, Британия била под обсада, подводниците плавали в Атлантика, а отношенията на Америка с агресивно експанзионистична Япония бързо се влошавали [а нацистка Германия нападнала СССР / бел. ред.]. Въпреки настроението на изолационизъм сред населението, американската интервенция изглеждала възможна и вероятно неизбежна за елитни групи от места като Университета на Пенсилвания. Училището на Мур предлагало курс за повишаване на квалификацията на инженери и учени за ускоряване на подготовката за възможна военна работа, особено по темата за радарни технологии (при радара съществували сходства с електронните изчисления: той използвал електронни лампи за генериране и преброяване на високочестотни импулси и интервалите между тях; обаче по-късно Моучли отрекъл наличието на съществено влияние на радарите върху разработването на ENIAC).
Инженерното училище на Мур
Курсът довел до две основни последици за Моучли: на първо място, свързал го с Джон Преспър Екерт, известен като Прес, от местна семейство на магнати в недвижимите имоти и младия магьосник на електрониката, който прекарвал всичките си дни в лабораторията на телевизионния пионер . По-късно Екерт споделил патента (който след това признали за недействителен) за ENIAC с Моучли. На второ място, това осигурило на Моучли място в Училището на Мур, завършвайки дългата му академична изолация в блатото на колежа Урсинус. Изглежда, това се е случило не заради някакви особени заслуги на Моучли, а просто защото училището спешно се нуждаело от хора, които да заменят учените, отишли да работят по военни поръчки.
Но до 1942 година голяма част от училището Мура започва самостоятелно да работи по военен проект: изчисляването на балистични траектории с помощта на механична и ръчна работа. Този проект органично изникна от вече съществуващата връзка между училището и изпитателния полигон в Абердин, който се намираше на 130 км по-надолу по брега, в Мериленд.
Полигонът е създаден по време на Първата световна война за тестване на артилерията, в замяна на предишния полигон в Санди Хук, Ню Джърси. Освен пряката стрелба, задачата му беше да изчислява огневите таблици, използвани от артилерията в боя. Устойчивостта на въздуха не позволяваше да се изчисли мястото на приземяване на снаряда, просто решавайки квадратното уравнение. Все пак, високата точност беше изключително важна за артилерийския огън, тъй като именно първите изстрели завършваха с най-голямо поражение на силите на противника — след тях противникът бързо се укриваше под земята.
За да постигнат такава точност, съвременните армии съставяха подробни таблици, които информираха стрелците колко далеч ще приземи техният снаряд след изстрел под определен ъгъл. Съставителите използваха началната скорост и разположението на снаряда, за да изчислят неговото местоположение и скорост за кратък интервал от време, а след това повтаряха същите изчисления за следващия интервал, и така нататък, стотици и хиляди пъти. За всяка комбинация от оръдие и снаряд тези изчисления трябваше да се извършват за всички възможни ъгли на стрелба, като се отчетат различните атмосферни условия. Счетоводната натовареност беше толкова голяма, че в Абердин завършиха изчисленията на всички таблици, започнати след края на Първата световна война, само през 1936 година.
Очевидно, Абердин имаше нужда от по-добро решение. През 1933 година той сключи договор с училището Мура: армията ще финансира изграждането на два диференциални анализатора, аналогови компютри, създадени по схема от MIT под ръководството на . Един от тях ще бъде изпратен в Абердин, а другият ще остане на разположение на училището Мура и ще се използва по усмотрение на професорския състав. Анализаторът можеше да построи траектория за петнадесет минути, за която на човек би отнело няколко дни, въпреки че точността на изчисленията на компютъра беше малко по-ниска.
Демонстрация на гаубица в Абердин, ок. 1942
Въпреки това, през 1940 г. изследователското подразделение, известно сега като Балистична изследователска лаборатория (Ballistic Research Laboratory, BRL), изиска своята машина, която стоеше в училището на Мур, и започна да изчислява артилерийски таблици за надвисналата война. Изчислителната група на училището също беше привлечена, за да подпомогне машината с помощта на хора-визуализатори. До 1942 година 100 жени-визуализатори в училището работеха по шест дни в седмицата, обработвайки изчисленията за войната — сред тях беше и съпругата на Моучли, Мери, която работеше по огневите таблици на Абердин. Моучли беше назначен за ръководител на друга група изчислители, които работеха по изчисленията за радарни антени.
От деня на пристигането си в училището на Мур, Моучли промотираше идеята си за електронен компютър из цялото звено. Той вече имаше значителна подкрепа от Преспър Екерт и , старши член на факултета. Моучли предостави идеята, Екерт — инженерния подход, Брейнърд — убедителността и легитимността. През пролетта на 1943 г. тройката реши, че е време да представи отдавна зрялата идея на Моучли на армейските началници. Но загадките на климата, които той отдавна се опитваше да разгадае, трябваше да почака. Новият компютър трябваше да служи на нуждите на новия собственик: да проследява не постоянните синусоиди на глобалните температурни цикли, а балистичните траектории на артилерийските снаряди.
ENIAC
През април 1943 г. Моучли, Екерт и Брейнърд направиха черновата на "Доклад за електронния диференциален анализатор". Това привлече в техния ред още един съюзник, , математик и армейски офицер, служил като посредник между Абердин и училището на Мур. С помощта на Голдстейн групата представи идеята на комитета в BRL и получи военен грант, с Брейнърд като научен ръководител на проекта. Те трябваше да завършат създаването на машината до септември 1944 г. с бюджет от 150 000 $. Отборът нарече проекта ENIAC: Electronic Numerical Integrator, Analyzer and Computer (Електронен числов интегратор и анализатор).
Отляво надясно: Джулиан Бигелоу, Херман Голдстейн, Робърт Опенхаймер, Джон фон Нойман. Снимката е направена в Принстънския институт за напреднали изследвания след войната, с по-късната версия на компютъра.
Както и в случай с „Колос“ във Великобритания, авторитетното инженерно ръководство в САЩ, например, Комитетът за национална отбрана (National Defense Research Committee, NDRC) се отнесе скептично към проекта ENIAC. У училището на Мур не беше съществувала репутация на елитно учебно заведение, но то предложи нещо нечувано. Дори за индустриалните гиганти като RCA, беше трудно да създадат относително прости електронни схеми за изчисления, да не говорим за настраиваем електронен компютър. Джордж Стейбиц, архитект на релейни компютри в лабораторията Бела, който работеше по проекта NDRC тогава, смяташе, че ще отнеме твърде много време, за да бъде завършен ENIAC, за да бъде от полза в войната.
В това той се оказа прав. На създаването на ENIAC ще му отнеме два пъти повече време и три пъти повече средства, отколкото първоначално е било планирано. То изтегли значителна част от човешките ресурси на училището на Мур. За само разработката бяха привлечени още седем души, в допълнение към първоначалната група на Моучли, Екерт и Брейнърд. Както и „Колос“, ENIAC привлече множество хора-изчислители за подпомагане в настройването на тяхната електронна замяна. Сред тях бяха съпругата на Герман Голдстайн, Адел, и Джийн Дженингс (по-късно Бартик), които впоследствие ще играят важна роля в разработването на компютри. Литерите NI в името на ENIAC предполагаха, че училището на Мур предоставя на армията цифрова, електронна версия на диференциалния анализатор, който ще решава интеграли за траектории по-бързо и точно от своя аналогов механичен предшественик. Но в крайна сметка те създадоха нещо много по-голямо.
Част от идеите на проекта могат да бъдат заимствани от предложението през 1940 година, направено от Ирвън Трейвиз. Именно Трейвиз участва в подписването на договора за използването на анализатора от училището на Мур през 1933 година, а през 1940 година той предложи подобрена версия на анализатора, която не е електронна, но работи на цифров принцип. Той би трябвало да използва механични броячи вместо аналогови колела. До 1943 година той напусна училището на Мур и зае пост в командването на флота във Вашингтон.
Основата на възможностите на ENIAC, отново, както при «Колосса», се състоеше в разнообразието на функционални модули. Най-често се използваха акумулатори за събиране и пресмятане. Неговата схема беше заета от електронните счетоводители на Уинн-Уилямс, използвани от физиците, и те буквално извършваха събиране, по начин, по който децата предучилищна възраст броят с пръсти. Другите функционални модули включваха множители, генератори на функции, извличащи данни от таблици, което заменяше пресмятането на по-сложни функции, като синус и косинус. Всеки модул притежаваше собствени програмни настройки, чрез които се задаваше малка последователност от операции. Както и при «Колосса», програмирането се осъществяваше чрез комбинация от панел с превключватели и панели с гнезда, които напомняха на телефонни комутатори.
ENIAC имаше няколко електромеханични части, в частност, релейен регистър, служил като буфер между електронните акумулатори и перфораторните машини на IBM, използвани за въвеждане и извеждане. Тази архитектура много напомняше на «Колосса». Сем Уилямс от лабораториите Белла, сътрудничил с Джордж Стибиц в изграждането на релейни компютри на Белла, също така построи регистър за ENIAC.
Ключовото отличие от «Колосса» направи ENIAC по-гъвкава машина: възможност да се програмират основните настройки. Основното програмируемо устройство изпращаше импулси до функционалните модули, които предизвикваха стартиране на предварително зададени последователности, и получаваше обратни импулси след завършване на работата. След това то преминаваше към следващата операция в основната контролна последователност и издаваше необходимите изчисления под формата на функция от множество по-малки последователности. Основното програмируемо устройство можеше да взема решения с помощта на стъпков двигател: ринговия брояч, определящ на коя от шестте изходни линии да насочи импулса. По този начин устройството можеше да изпълнява до шест различни функционални последователности в зависимост от текущото състояние на стъпковия двигател. Тази гъвкавост ще позволи на ENIAC да решава задачи, много далеч от първоначалната си компетентност в областта на балистиката.
Настройка на ENIAC с помощта на превключватели и комутатори
Екерт отговаряше за това, да се увери, че всяката електроника в това чудовище жужи и гуди, и самият той изобрети същите основни трикове, които и Флауърс в Блетчли: лампите трябва да работят при токове, значително по-малки от стандартните, и машината не трябва да се изключва. Но заради огромното количество използвани лампи, беше необходима още една хитрост: свързаните модули, на всеки от които бяха инсталирани няколко десетки лампи, можеха лесно да се изваждат и заменят в случай на повреда. След това обслужващият персонал без спешност намираше и заменяше отказалата лампа, а ENIAC беше моментално готов за работа. И дори с всичките тези предпазни мерки, имайки предвид огромното количество лампи в ENIAC, той не можеше да извършва изчисления на задачата през всички уикенди или цяла нощ, както правеха релейните компютри. В определен момент непременно изгаряше лампа.
Пример за множество лампи в ENIAC
Отзивите за ENIAC често подчертават неговите огромни размери. Редиците от рафтове с лампи - общо 18 000 броя - превключватели и комутатори биха заели типична селска къща и двора пред нея. Неговият размер не беше обоснован само от компонентите (лампите бяха относително големи), но и от странната архитектура. И въпреки че всички компютри от средата на века изглеждат големи по съвременни стандарти, следващото поколение електронни компютри беше много по-малко от ENIAC и разполагаше с много по-големи възможности, използвайки една десета част от електронните компоненти.
Панорама на ENIAC в училището на Мур
Гротескният размер на ENIAC произтича от две основни проектантски решения. Първото се стреми да увеличи потенциалната скорост за сметка на цената и сложността. След това почти всички компютри съ храняват числа в регистри и ги обработват в отделни аритметични модули, отново запазвайки резултатите в регистра. ENIAC не разделя модулите за съхранение и обработка. Всеки модул за съхранение на числа едновременно е и обработващ модул, способен на събиране и изваждане, което изисква много повече лампи. Може да бъде разглеждан като силно ускорена версия на отдела със събирачи в училището на Мур, тъй като „изчислителната му архитектура напомня на двадесет човека-събирачи, работещи с десетзначни настолни калкулатори, предаващи резултатите от изчисленията тук и там“. В теоретичен план това позволява на ENIAC да извършва паралелни изчисления на няколко акумулатора, но тази възможност е била използвана рядко, а през 1948 година напълно е била премахната.
Второто проектантско решение е по-трудно за обяснение. За разлика от ABC или релейните машини на Бел, ENIAC не съхранява числа в двоичен формат. Той преобразува десетични механични изчисления направо в електронен формат, с десет тригера за всяка цифра — ако свети първият, това е нула, вторият - 1, третият - 2 и т.н. Това е огромен разход на скъпи електронни компоненти (например, за представяне на числото 1000 в двоичен формат са необходими 10 тригера, по един за двоичната цифра (1111101000); а в схемата на ENIAC за това са необходими 40 тригера, по десет за десетичната цифра), което явно е било организирано само от страх от възможни затруднения при преобразуването между двоичната и десетичната системи. Въпреки това компютърът на Атанасова-Бери, „Колос“, и релейните машини на Бел и Цузе използваха двоична система, и разработчиците им не са имали никакви затруднения с преобразуването между основите.
Такива дизайнерски решения няма да бъдат повторени. В това отношение ENIAC беше подобен на ABC – уникален експонат, а не шаблон за всички съвременни компютри. Въпреки това, неговото предимство беше в това, че доказа, без никакво съмнение, работоспособността на електронните компютри, извършвайки полезна работа и решавайки реални задачи с удивителна за околните скорост.
Рехабилитация
Към ноември 1945 година ENIAC беше напълно функциониращ. Той не можеше да се похвали с такава надеждност, каквато имаха неговите електромеханични роднини, но бе достатъчно надежден, за да може да използва своето предимство в скоростта стотици пъти. Изчисляването на балистичната траектория, което на диференциалния анализатор му отнемаше петнадесет минути, ENIAC можеше да извърши за двадесет секунди - по-бързо, отколкото лети самият снаряд. И за разлика от анализатора, той можеше да прави това с такава точност, каквато човек-изчислител, използващ механичен калкулатор.
Но, както предсказваше Стибиц, ENIAC се появи твърде късно, за да помогне във войната, и изчисляването на таблици вече не беше толкова спешно необходимо. Но в Лос Аламос, Ню Мексико, се разработваше проект за тайно оръжие, който продължаваше и след войната. Там също бяха необходими много изчисления. Един от физиците на Манхатанския проект, Едвард Телър, още през 1942 година се запали по идеята за „супероръжието”: много по-разрушително от това, което по-късно беше хвърлено над Япония, с енергия на експлозията, идваща от атомен синтез, а не от делене на ядра. Телър смяташе, че ще може да инициира верижна реакция на синтез в смес от деутерий (обикновен водород с допълнителен неутрон) и тритий (обикновен водород с два допълнителни неутрона). Но за това беше необходимо да се мине с ниско съдържание на тритий, тъй като той беше изключително рядък.
Затова учен от Лос Аламос донесе в училището на Мура изчисления за проверка на супероръжие, в които беше необходимо да се изчисляват диференциални уравнения, моделиращи запалването на смес от дейтерий и тритий за различни концентрации на тритий. Никой в училището на Мура нямаше разрешение да знае защо се правят тези изчисления, но те покорно въведоха всички данни и уравнения, донесени от ученика. Подробностите по изчисленията остават секретни и до днес (както и цялата програма за изграждане на супероръжие, днес по-известно като водородна бомба), въпреки че знаем, че Теллер е счел получените през февруари 1946 година резултати за потвърждение на жизнеспособността на неговата идея.
В същия месец училището на Мура представи ENIAC пред обществеността. По време на церемонията по откриването пред събралите се важни лица и пресата операторите се преструваха, че включват машината (въпреки че тя, разбира се, винаги е била включена), провеждайки няколко церемониални изчисления, изчислявайки балистичната траектория, за да демонстрират безпрецедентната скорост на електронните компоненти. След това работниците раздадоха перфокарти с изчисленията на всички присъстващи.
ENIAC продължи да решава няколко по-реални проблема през цялата 1946 година: набор от изчисления по потока на течности (например, за обтекането на крилото на самолет) за британския физик Дъглас Хартри, още един набор от изчисления за моделиране на имплозията на ядрено оръжие, изчисления на траектории за новата деветдесет милиметрова оръдейна система в Абердин. След това той замлъкна за година и половина. В края на 1946 година, по договор на училището на Мура с армията, BRL опакова машината и я транспортира на полигон. Там тя постоянно страдаше от проблеми с надеждността, а екипът на BRL не успя да я накара да работи достатъчно добре, за да извърши каквато и да е полезна работа, до голямата модернизация, завършила през март 1948. За модернизацията, напълно обновила ENIAC, ще говорим повече в следващата част.
Но това вече нямаше значение. Никому не му пукаше за ENIAC. Вече започна състезание за създаването на неговия наследник.
Какво още да прочетете:
• Пол Серуци, Изчислителите (1983)
• Томас Хайг, и др., ENIAC в действие (2016)
• Дейвид Ричи, Компютърните пионери (1986)
Източник: habr.com
