🥇История на електронните компютри, част 3: ENIAC

Други статии от поредицата:

Вторият проект за създаване на електронен компютър, който се появи в резултат на войната, като "Колос", изискваше много умове и ръце за ползотворно изпълнение. Но подобно на Colossus, той никога нямаше да се появи, ако един човек не беше обсебен от електрониката. В случая името му беше Джон Мокли.

Историята на Мокли се преплита по мистериозен и подозрителен начин с тази на Джон Атанасов. Както си спомняте, напуснахме Атанасов и неговия помощник Клод Бери през 1942 г. Те се отказаха от работата по електронния компютър и се насочиха към други военни проекти. Мучли има много общо с Атанасов: и двамата са професори по физика в неизвестни институти, лишени от престиж и авторитет в широките академични среди. Маучли изнемогва в изолация като учител в малкия колеж Урсинус в предградията на Филаделфия, който няма дори скромния престиж на щата Айова, където работи Атанасов. Никой от тях не направи нищо, за да привлече вниманието на по-елитарните си колеги от, да речем, Чикагския университет. Въпреки това и двамата бяха обхванати от ексцентрична идея: да изградят изчислителна машина от електронни компоненти, същите части, от които са направени радиостанциите и телефонните усилватели.

Джон Мокли

Предсказване на времето

За известно време тези двама мъже установиха известна връзка. Те се запознават в края на 1940 г. на конференцията на Американската асоциация за напредък в науката (AAAS) във Филаделфия. Там Mouchli изнесе презентация за своите изследвания върху цикличните модели в метеорологичните данни, използвайки електронен хармоничен анализатор, който сам разработи. Това беше аналогов компютър (т.е. представящ стойности не в цифрова форма, а под формата на физически величини, в този случай ток - колкото по-голям е ток, толкова по-голяма е стойността), подобен по работа на механичния предиктор на приливите разработен от Уилям Томсън (по-късно станал лорд Келвин) през 1870-те.

Атанасов, който седеше в залата, знаеше, че е намерил другар на самотно пътуване до страната на електронните компютри, и незабавно се обърна към Мучли след доклада му, за да му разкаже за машината, която беше построил в Еймс. Но за да разберете как Mauchly дори излезе на сцената с представянето си на електронен метеорологичен компютър, трябва да се върнете към неговите корени.

Mouchli е роден през 1907 г. в семейството на физика Sebastian Mouchli. Подобно на много свои съвременници, като момче той започва да се интересува от радио и вакуумни тръби и се колебае между кариери в областта на електрониката и физиката, 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 Ursinus през 1934 г. като единствен член на катедрата по физика.

Ursinus College през 1930 г

В Урсинус той се захваща с мечтан проект – да разгадае скритите цикли на глобалната природна машина и да се научи да предсказва времето не за дни, а за месеци и години напред. Той беше убеден, че Слънцето управлява метеорологичните модели, които продължават няколко години, свързани със слънчевата активност и слънчевите петна. Той искаше да извлече тези модели от огромното количество данни, натрупани от Американското метеорологично бюро с помощта на студенти и комплект настолни калкулатори, закупени за жълти стотинки от фалирали банки.

Скоро стана ясно, че има твърде много данни. Машините не можеха да изчисляват достатъчно бързо и човешката грешка започна да се появява, тъй като междинните резултати на машината непрекъснато се копираха на хартия. Мокли започна да мисли за друг начин. Той знаеше за броячите с вакуумни тръби, създадени от Чарлз Уин-Уилямс, които неговите колеги физици използваха за броене на субатомни частици. Като се има предвид, че електронните устройства очевидно могат да записват и натрупват числа, Моучли се чудеше защо не могат да правят по-сложни изчисления. В продължение на няколко години, в свободното си време, той си играеше с електронни компоненти: превключватели, броячи, машини за заместващи шифри, които използваха смес от електронни и механични компоненти, и хармоничен анализатор, който използваше за проект за прогнозиране на времето, който извличаше данни, подобни на седмици - дълги модели на колебания на валежите. Именно това откритие довежда Мучли до AAAS през 1940 г., а след това и Атанасов до Мучли.

Посетете

Ключовото събитие в отношенията между Моучли и Атанасов се случва шест месеца по-късно, в началото на лятото на 1941 г. Във Филаделфия Атанасов разказва на Моучли за електронния компютър, който е построил в Айова, и споменава колко евтино му е струвал. В последвалата им кореспонденция той продължи да прави интригуващи намеци за това как е направил своя компютър, струващ не повече от 2 долара на бит. Mauchly се заинтересува и беше доста изненадан от това постижение. По това време той имаше сериозни планове да създаде електронен калкулатор, но без подкрепата на колежа, той трябваше да плати цялото оборудване от собствения си джоб. Една лампа обикновено струваше 4 долара и бяха необходими минимум две лампи за съхраняване на една двоична цифра. Как, помисли си той, Атанасов успява да пести толкова добре?

След шест месеца той най-накрая имаше време да пътува на запад, за да задоволи любопитството си. След хиляда и половина километра в колата, през юни 1941 г. Мокли и синът му идват да посетят Атанасов в Еймс. По-късно Маучли каза, че си е тръгнал разочарован. Евтиното съхранение на данни на Атанасов изобщо не беше електронно, а се поддържаше от електростатични заряди върху механичен барабан. Поради тази и други механични части, както вече видяхме, той не можеше да извършва изчисления със скорости, дори близки до тези, за които Мокли мечтаеше. По-късно той го нарече "механична дреболия, използваща няколко вакуумни тръби". Въпреки това, малко след посещението, той написа писмо, в което хвалеше машината на Атанасов, където пише, че тя е „електронна по същество и решава само за няколко минути всяка система от линейни уравнения, която включва не повече от тридесет променливи“. Той твърди, че може да бъде по-бързо и по-евтино от механичното диференциален анализатор Буш.

Тридесет години по-късно връзката на Моучли и Атанасов става ключова в съдебния спор Honeywell срещу Sperry Rand, в резултат на който заявките за патенти за електронния компютър, създаден от Моучли, са анулирани. Без да се казва нищо за достойнствата на самия патент, въпреки факта, че Атанасов е по-опитен инженер и като се има предвид подозрителното мнение със задна дата на Мокли за компютъра на Атанасов, няма причина да се подозира, че Мокли 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. Най-много, което може да се каже, е, че Атанасов вдъхва доверието на Мокли, доказвайки възможността електронен компютър да работи.

Училище Мур и Абърдийн

И по това време Мокли се озова на същото място, от което започна. Нямаше магически трик за евтино електронно съхранение и докато оставаше в Урсинус, нямаше средства да сбъдне електронната си мечта. И тогава извади късмет. През същото лято на 1941 г. той посещава летен курс по електроника в Инженерното училище Мур към Пенсилванския университет. По това време Франция вече е окупирана, Великобритания е под обсада, подводници плуват в Атлантика, а отношенията на Америка с агресивна експанзионистка Япония бързо се влошават [и нацистка Германия атакува СССР / ок. превод]. Въпреки изолационистките настроения сред населението, американската намеса изглеждаше възможна и вероятно неизбежна за елитни групи от места като Университета на Пенсилвания. Училището Мур предложи опреснителен курс за инженери и учени, за да се ускори подготовката за възможна военна работа, особено по темата за радарната технология (радарът има функции, подобни на електронните изчисления: той използва вакуумни тръби за създаване и преброяване на броя на високочестотните импулси и времевите интервали между тях; обаче впоследствие Mouchli отрече да има сериозно влияние на радара върху развитието на ENIAC).

Инженерно училище Мур

Курсът имаше две основни последствия за Моучли: първо, той го свърза с Джон Преспър Екерт, по прякор Прес, от местно семейство магнати на недвижими имоти и млад магьосник по електроника, който прекарваше дните си в лабораторията на пионер в телевизията. Фило Фарнсуърт. По-късно Eckert ще сподели патента (който след това ще бъде анулиран) за ENIAC с Mauchly. Второ, това осигури на Моучли място в училището Мур, слагайки край на дългата му академична изолация в блатото на колежа Урсинус. Това, очевидно, не се дължи на някакви специални заслуги на Mouchly, а просто защото училището отчаяно се нуждаеше от хора, които да заменят учени, които бяха отишли да работят по военни поръчки.

Но до 1942 г. голяма част от училището на Мур самата работи по военен проект: изчисляване на балистични траектории чрез механична и ръчна работа. Този проект органично израства от съществуващата връзка между училището и полигона на Абърдийн, разположен на 130 км по-нататък по крайбрежието, в Мериленд.

Полигонът е създаден по време на Първата световна война за тестване на артилерия, заменяйки предишния полигон в Санди Хук, Ню Джърси. Освен директната стрелба, неговата задача беше да брои стрелковите таблици, използвани от артилерията в битка. Съпротивлението на въздуха направи невъзможно да се изчисли къде ще падне снаряд чрез просто решаване на квадратно уравнение. Въпреки това високата точност беше изключително важна за артилерийския огън, тъй като първите изстрели завършиха с най-голямото поражение на вражеските сили - след тях врагът бързо изчезна под земята.

За да постигнат тази точност, съвременните армии съставиха подробни таблици, които казваха на стрелците колко далеч би паднал снарядът им, след като бъде изстрелян под определен ъгъл. Компилаторите са използвали първоначалната скорост и позиция на снаряда, за да изчислят неговата позиция и скорост след кратък интервал от време и след това са повторили същите изчисления за следващия интервал и така нататък, стотици и хиляди пъти. За всяка комбинация от оръдие и снаряд е трябвало да се извършат такива изчисления за всички възможни ъгли на огън, като се вземат предвид различните атмосферни условия. Преброяването беше толкова голямо, че в Абърдийн завършиха изчисленията на всички таблици, започнали в края на Първата световна война, едва през 1936 г.

Очевидно Абърдийн се нуждаеше от по-добро решение. През 1933 г. той сключва споразумение с училището Мур: армията ще плати за изграждането на два диференциални анализатора, аналогови компютри, създадени по схема от MIT под ръководството на Ваневар Буш. Единият ще бъде изпратен в Абърдийн, а другият ще остане на разположение на училището Мур и ще бъде използван по преценка на професорството. Анализаторът можеше да изгради траектория за петнадесет минути, което щеше да отнеме на човек няколко дни, за да изчисли, въпреки че точността на компютърните изчисления беше малко по-ниска.

Демонстрация на гаубица в Абърдийн, c. 1942 г

Въпреки това през 1940 г. изследователската единица, сега наречена Лаборатория за балистични изследвания (BRL), поиска своята машина, която беше в училището на Мур, и започна да изчислява артилерийски таблици за предстоящата война. Беше привлечена и групата за броене на училището, за да поддържа машината с помощта на човешки калкулатори. До 1942 г. 100 жени калкулатори в училището работеха шест дни в седмицата, шлифовайки изчисления за войната - сред тях беше съпругата на Моучли, Мери, която работеше върху масите за стрелба на Абърдийн. Mauchly беше назначен за ръководител на друга група калкулатори, работещи върху изчисления за радарни антени.

От деня, в който пристигна в училището на Мур, Моучли популяризира идеята си за електронен компютър в целия факултет. Той вече имаше значителна подкрепа под формата на Преспер Екерт и Джон Брейнерд, старши преподавател. Mauchly предостави идеята, Eckert инженерния подход, Brainerd надеждността и легитимността. През пролетта на 1943 г. триото решава, че е дошъл моментът да разгласи дългоочакваната идея на Мучли пред армейските служители. Но мистериите на климата, които той отдавна се опитваше да разреши, трябваше да почакат. Новият компютър трябваше да обслужва нуждите на новия собственик: да проследява не вечните синусоиди на глобалните температурни цикли, а балистичните траектории на артилерийските снаряди.

ENIAC

През април 1943 г. Mauchly, Eckert и Brainerd изготвят доклад за електронен диференциален анализатор. Това привлече още един съюзник в техните редици, Херман Голдщайн, математик и офицер от армията, който служи като посредник между Абърдийн и училището Мур. С помощта на Голдщайн групата представи идеята на комисия в BRL и получи военна субсидия, като Брейнерд беше научен директор на проекта. Те трябваше да завършат машината до септември 1944 г. с бюджет от $150 000. Екипът нарече проекта ENIAC: Electronic Numerical Integrator, Analyzer and Computer (Електронен цифров интегратор и компютър).

Отляво надясно: Джулиан Бигълоу, Херман Голдщайн, Робърт Опенхаймер, Джон фон Нойман. Снимка, направена в Принстънския институт за напреднали изследвания след войната, с по-късен модел компютър.

Както в случая с Colossus във Великобритания, реномирани инженерни власти в Съединените щати, например Националният комитет за изследвания в областта на отбраната (NDRC), бяха скептични относно проекта ENIAC. Училището Мур нямаше репутацията на елитно учебно заведение, но предлагаше да създаде нещо нечувано. Дори индустриални гиганти като RCA се борят да създадат сравнително прости електронни вериги за броене, да не говорим за персонализиран електронен компютър. Джордж Стибиц, архитектът на релейния компютър в Bell Labs, работещ тогава по проекта NDRC, смяташе, че ENIAC ще отнеме твърде много време, за да бъде полезен във войната.

В това той беше прав. Създаването на ENIAC ще отнеме два пъти повече време и три пъти повече средства от първоначално планираното. Това изтощи по-голямата част от човешките ресурси на училището Мур. Самото разработване изискваше участието на още седем души, в допълнение към първоначалната група от Mouchli, Eckert и Brainerd. Подобно на Colossus, ENIAC донесе множество човешки калкулатори, за да помогне за настройването на техния електронен заместител. Сред тях са съпругата на Херман Голдщайн, Адел, и Жан Дженингс (по-късно Бартик), която по-късно има важна работа в разработването на компютри. Буквите NI в името на ENIAC подсказват, че училището на Мур предоставя на армията цифрова, електронна версия на диференциален анализатор, който ще решава интеграли по пътя по-бързо и по-точно от своя аналогов механичен предшественик. Но в резултат те получиха нещо много повече.

Някои от дизайнерските идеи биха могли да бъдат заимствани от предложение от 1940 г., направено от Ървън Травис. Именно Травис участва в подписването на договора за използване на анализатора от училището Мур през 1933 г., а през 1940 г. предлага подобрена версия на анализатора, макар и не електронна, а работеща на цифров принцип. Той трябваше да използва механични измервателни уреди вместо аналогови колела. До 1943 г. той напуска училището Мур и заема командващ пост във ВМС във Вашингтон.

В основата на възможностите на ENIAC отново, подобно на Colossus, беше разнообразието от функционални модули. Най-често акумулаторите се използват за събиране и броене. Тяхната схема е взета от електронните броячи Wynn-Williams, използвани от физиците, и те буквално правеха добавяне чрез броене, както децата в предучилищна възраст броят на пръстите си. Други функционални модули включват умножители, генератори на функции, които търсят данни в таблици, които заменят изчисляването на по-сложни функции като синус и косинус. Всеки модул имаше собствени софтуерни настройки, с помощта на които се задаваше малка последователност от операции. Подобно на Colossus, програмирането беше направено с помощта на комбинация от комутатор и панели, подобни на телефонен ключ, с жакове.

ENIAC имаше няколко електромеханични части, по-специално релеен регистър, който служеше като буфер между електронните акумулатори и перфораторите на IBM, използвани за вход и изход. Тази архитектура много напомняше на колоса. Сам Уилямс от Bell Labs, който си сътрудничи с Джордж Стибиц върху релейните компютри на Bell, също изгради регистър за ENIAC.

Основната разлика от "Colossus" направи ENIAC по-гъвкава машина: възможността за програмиране на основните настройки. Главното програмируемо устройство изпрати импулси към функционалните модули, предизвиквайки стартиране на предварително зададени последователности и получи импулси за отговор, когато работата приключи. След това премина към следващата операция в основната контролна последователност и изработи желаните изчисления като функция на много по-малки последователности. Основното програмируемо устройство може да взема решения, използвайки стъпков двигател: брояч на пръстени, който определя коя от шестте изходни линии да пренасочи импулса. По този начин устройството може да изпълни до шест различни функционални последователности в зависимост от текущото състояние на стъпковия двигател. Тази гъвкавост ще позволи на ENIAC да се справя със задачи, които са далеч от първоначалната му балистична експертиза.

Конфигуриране на ENIAC с превключватели и превключватели

Екерт беше отговорен за това, че цялата електроника в това чудовище бръмчи и бръмчи, и самият той измисли същите основни трикове, които Флауърс имаше в Блечли: лампите трябва да работят при токове, много по-ниски от обикновените, и машината не се нуждае да бъде изключен. Но поради огромния брой използвани лампи беше необходим още един трик: модулите за включване, всеки от които монтира няколко десетки лампи, могат лесно да бъдат премахнати и заменени в случай на повреда. Тогава сервизният персонал без да бърза намери и смени повредената лампа и ENIAC веднага беше готов за работа. И дори с всички тези предпазни мерки, предвид големия брой лампи в ENIAC, той не можеше да управлява проблема през целия уикенд или през цялата нощ, както правеха релейните компютри. По някое време лампата изгоря.

Пример за много лампи в ENIAC

Отзивите за ENIAC често споменават огромния му размер. Редици от стелажи с лампи – общо 18 000 – с ключове и разпределителни табла биха заели типична селска къща и предна поляна за зареждане. Размерът му се дължи не само на компонентите (лампите бяха сравнително големи), но и на странната му архитектура. И въпреки че всички компютри от средата на века изглеждат големи по днешните стандарти, следващото поколение електронни компютри беше много по-малко от ENIAC и имаше повече възможности, когато използваше една десета от електронните компоненти.

Панорама на ENIAC в училището на Мур

Гротескният размер на ENIAC произтича от две основни дизайнерски решения. Първият се стреми да увеличи потенциалната скорост за сметка на цената и сложността. След това почти всички компютри съхраняват числата в регистри и ги обработват в отделни аритметични единици, като отново съхраняват резултатите в регистър. ENIAC не разделя модулите за съхранение и обработка. Всеки модул за съхранение на числа беше и модул за обработка, способен да събира и изважда, което изисква много повече лампи. Може да се разглежда като силно ускорена версия на отдела за човешки изчисления на училището Мур, тъй като „изчислителната му архитектура приличаше на двадесет човешки калкулатора, работещи с десетцифрени настолни калкулатори, предавайки резултатите напред-назад“. На теория това позволява на ENIAC да извършва паралелни изчисления на няколко батерии, но тази възможност е малко използвана и през 1948 г. е напълно премахната.

Второто дизайнерско решение е по-трудно за оправдаване. За разлика от релейните машини ABC или Bell, ENIAC не съхранява числата в двоична форма. Той преведе десетичните механични изчисления директно в електронен вид, с десет тригера за всяка цифра - ако първата беше включена, беше нула, втората беше 1, третата беше 2 и т.н. Това беше огромна загуба на скъпи електронни компоненти (например, за да се представи числото 1000 в двоична система са необходими 10 тригера, по един на двоична цифра (1111101000); а във веригата ENIAC това изискваше 40 тригера, десет на десетичен знак цифра), която очевидно е била организирана само от страх от възможните трудности при конвертирането между двоични и десетични системи. Компютърът Atanasoff-Berry, Colossus и релейните машини на Bell и Zuse обаче използваха двоичната система и техните разработчици не срещнаха затруднения при конвертирането между базите.

Никой няма да повтори такива дизайнерски решения. В този смисъл ENIAC беше като ABC - уникално любопитство, а не шаблон за всички съвременни компютри. Неговото предимство обаче беше, че той доказа без съмнение производителността на електронните компютри, извършвайки полезна работа и решавайки реални проблеми с изненадваща за другите скорост.

Рехабилитация

До ноември 1945 г. ENIAC е напълно работещ. Той не можеше да се похвали със същата надеждност като своите електромеханични роднини, но беше достатъчно надежден, за да използва предимството си в скоростта няколкостотин пъти. Изчисляването на балистична траектория, което отне петнадесет минути за диференциален анализатор, можеше да се направи от ENIAC за двадесет секунди - по-бързо, отколкото лети самият снаряд. И за разлика от анализатора, той можеше да го направи със същата прецизност като човешки калкулатор, използвайки механичен калкулатор.

Въпреки това, както беше предвидил Стибиц, ENIAC дойде твърде късно, за да помогне във войната, и таблицата вече не беше необходима толкова спешно. Но имаше таен оръжеен проект в Лос Аламос в Ню Мексико, който продължи и след войната. Освен това изискваше много изчисления. Един от физиците от проекта Манхатън, Едуард Телър, през 1942 г. се запалва по идеята за "супероръжие": много по-разрушително от това, което по-късно беше хвърлено върху Япония, с енергията на експлозията, идваща от атомен синтез, а не от ядрено делене. Телър смяташе, че може да започне 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 премине с ниско съдържание на тритий, тъй като беше изключително рядко.

Затова учен от Лос Аламос донесе в училището на Мур изчисления за тестване на супероръжия, в които беше необходимо да се изчислят диференциални уравнения, които симулираха запалването на смес от деутерий и тритий за различни концентрации на тритий. Никой в училището на Мур нямаше разрешение да знае за какво са тези изчисления, но те прилежно въведоха всички данни и уравнения, донесени от учените. Подробностите на изчисленията остават в тайна и до днес (както и цялата програма за изграждане на супероръжие, днес по-известно като водородна бомба), въпреки че знаем, че Телър смята резултата от изчисленията, получен през февруари 1946 г., като потвърждение на жизнеспособността на неговата идея.

Същия месец училището на Мур пусна ENIAC за обществеността. По време на церемонията по откриването пред събралите се големци и пресата, операторите се престориха, че включват машината (въпреки че тя винаги беше включена, разбира се), извършиха няколко церемониални изчисления върху нея, изчислявайки балистичната траектория, за да демонстрират безпрецедентната скорост на електронни компоненти. След това работниците раздадоха на всички присъстващи перфокарти от тези изчисления.

ENIAC продължава да решава още няколко реални проблема през 1946 г.: набор от изчисления за потока на течности (например за потока на крило на самолет) за британския физик Дъглас Хартри, друг набор от изчисления за симулиране на имплозия на ядрено оръжие, изчисления на траекторията за ново деветдесет милиметрово оръдие в Абърдийн. После замълча за година и половина. В края на 1946 г., по силата на споразумение между училището Мур и армията, BRL опакова колата и я транспортира до полигона. Страдаше от проблеми с надеждността там и екипът на BRL не успя да го накара да работи достатъчно добре, за да върши някаква полезна работа, докато основната надстройка не приключи през март 1948 г. Ще говорим за надстройката, която напълно актуализира ENIAC. следващата част.

Но това вече нямаше значение. Никой не се интересуваше от ENIAC. Вече имаше надпревара за създаването на негов наследник.

Какво още да прочетете:

• Пол Серуци, Reckoners (1983)
• Thomas High, et. др., Eniac в действие (2016)
• Дейвид Ричи, Компютърните пионери (1986)

Източник: www.habr.com

История на електронните компютри, част 3: ENIAC