Други статии от цикъла:
- История на релето
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- История на интернет
На втория проект за създаване на електронен компютър, възникнал в резултат на войната, както и при "Колос", бяха нужни множество умове и ръце за успешно реализиране. Но, както и "Колос", той никога нямаше да се появи, ако не беше един единствен човек, обсебен от електрониката. В този случай той се казваше .
Историята на Мочли е навързана по загадъчни и подозрителни пътища с историята на Джон Атанасов. Както помните, ние оставихме Атанасов и неговия асистент Клод Бери през 1942 година. Те преустановиха работата си по електронния компютър и се заеха с други военни проекти. Мочли имаше много общо с Атанасов: и двамата бяха професори по физика в малкоизвестни институти, които не притежаваха престиж и авторитет в широките академични кръгове. Мочли страдаше от изолация като учител в малкия колеж Урсинус в предградията на Филаделфия, който нямаше дори такъв скромен престиж, какъвто имаше щата Айова, където работеше Атанасов. Нито един от тях не направи нищо, за да привлече вниманието на своите по-елитни колеги от, да речем, Университета на Чикаго. Въпреки това и двамата бяха завладени от ексцентричната идея: да построят изчислителна машина от електронни компоненти, същите части, от които бяха направени радиото и телефонните усилватели.
Джон Мочли
Прогнозиране на времето
В продължение на известно време между тези двама мъже установи определена връзка. Те се срещнаха в края на 40-те години на конференция на Американската асоциация за напредък на науката (American Association for the Advancement Science, AAAS) във Филаделфия. Там Мочли представяше изследването си за цикличните закономерности във времевите данни, използвайки разработения от него електронен хармоничен анализатор. Това беше аналогов компютър (тоест, представящ стойности не в цифров вид, а във физически величини, в този случай, ток — колкото по-голям е токът, толкова по-висока е стойността), подобен на механичния предсказател на приливите, създаден от Уилям Томсън (по-късно станал лорд Келвин) през 1870-те години.
Атанасов, седящият в залата, знаеше, че е намерил спътник в самотното пътуване в страната на електронните изчисления и без да се бави, се приближи до Моучли след лекцията му, за да му разкаже за машината, която е построил в Еймс. Но за да разберем как всъщност Моучли се е озовал на сцената със своята презентация на електронния метеорологичен компютър, трябва да се върнем към корените му.
Моучли е роден през 1907 година в семейството на физика Себастиян Моучли. Както много от своите съвременници, като момче той се заинтересова от радиото и електронните лампи и колебаеше между кариерата на електроинженер и физик, преди да реши да се съсредоточи върху метеорологията в Университета на Джон Хопкинс. За нещастие, след завършване той попадна право в лапите на Голямата депресия и бе благодарен, че успя да получи работа в Урсинус през 1934 година като единствен член на физическия факултет.
Колежът Урсинус през 1930 година
В Урсинус той се захвана с проекта на мечтите си – 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 закономерностите на времето, продължаващи няколко години, свързани със слънчевата активност и петна. Той искаше да извлече тези закономерности от огромното количество натрупани данни на американското метеорологично бюро с помощта на студенти и набор от настолни калкулатори, закупени за стотинки от фалирали банки.
Скоро стана ясно, че данните бяха твърде много. Машините не можеха да извършват изчисления достатъчно бързо, а освен това започнаха да се проявяват 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, първоначално създадени от Чарлз Уинн-Уилямс, които колегите му физици използваха за броене на субатомни частици. Като се има предвид, че електронните устройства очевидно можеха да записват и натрупват числа, Моучли се заинтересува защо те не биха могли да извършват по-сложни изчисления? Няколко години в свободното си време той експериментираше с електронни компоненти: превключватели, броячи, машини за подставяне на шифри, използващи смесица от електронни и механични компоненти, и хармоничен анализатор, който приложи за проект за предсказване на времето, извличайки данни, подобни на многоседмични закономерности на колебания в нивото на валежите. Именно това откритие доведе Моучли до AAAS през 1940 г., а след това и Атанасов до Моучли.
Посещение
Ключовото събитие във взаимоотношенията между Моучли и Атанасов се състоя шест месеца по-късно, в началото на лятото на 1941 г. В Филаделфия Атанасов разказа на Моучли за построения от него електронен компютър в Айова и спомена колко евтино му е струвало. В тяхната последваща кореспонденция той продължаваше да прави интригуващи намеци за това как е изградил своя компютър на стойност не повече от $2 за един разряд. Моучли се заинтересува и беше доста изненадан от това постижение. По това време той вече обмисляше сериозни планове за изграждане на електронен калкулатор, но без подкрепата на колежа трябваше да плати за всичкото оборудване от собствения си джоб. Обикновено за една лампа се искат $4, а за съхранение на една двоична цифра са необходими поне две лампи. Как ли, мислеше той, Атанасов е успял да спести толкова добре?
След шест месеца той най-накрая успя да отиде на запад, за да задоволи любопитството си. След хиляда и петстотин километра с кола, през юни 1941 г. Моукли и синът му пристигнали на гости при Атанасов в Аимс. Моукли по-късно разказваше, че е заминал разочарован. Евтиният архив на Атанасов изобщо не бил електронен и функционирал благодарение на електростатични заряди на механичен барабан. Заради това, както и други механични части, както вече видяхме, той не можел да извършва изчисления на скорости, дори приближаващи се до тези, за които мечтаел Моукли. По-късно той го нарече "механична безделушка, използваща няколко електронни лампи". Въпреки това скоро след посещението си той написа писмо, в което възхвалява машината на Атанасов, където споменава, че тя е "електронна по същество и решава за няколко минути всяка система от линейни уравнения, включваща не повече от тридесет променливи". Той твърдял, че тя би могла да бъде по-бърза и по-евтина от механичния. Буша.
След тридесет години отношенията между Моукли и Атанасов ще станат ключови в съдебния спор на Honeywell срещу Sperry Rand, след който заявленията за патенти за създадени от Моукли електронен компютър бяха анулирани. Без да говорим за заслугите на самия патент, въпреки че Атанасов е по-опитен инженер и имайки предвид съмнението на Моукли относно компютъра на Атанасов, изразено в ретроспекция, няма никаква причина да се подозира, че Моукли е научил или копирал нещо важно от работата на Атанасов. Но що се отнася до по-важното, схемата ENIAC няма нищо общо с компютъра Атанасов-Бери. Максимумът, който може да се заяви, е, че Атанасов е засилил увереността на Моукли, доказвайки, че е възможно електронният компютър да работи.
Училището на Мур и Абердин
А в това време Мосли се оказа на същото място, откъдето започна. Не съществуваше вълшебна формула за евтино електронно съхранение, и докато той оставаше в Урсиниус, нямаше средства да реализира електронната си мечта. И после му провървя. През същото лято на 1941 година той учеше на летен курс по електроника в Инженерната школа Мура при Пенсилвания университет. Към това време Франция вече беше окупирана, Британия беше под обсада, подводници прекарваха Атлантика, а отношенията на Америка с агресивната експанзионистка Япония бързо се влошаваха [а хитлеристка Германия нападна СССР / бел. ред.]. Въпреки изолационистските настроения сред населението, американската интервенция изглеждаше възможна, а вероятно и неизбежна, на елитарните групи от места като Пенсилвания университет. Школата Мура предлагаше курс за повишаване на квалификацията на инженери и учени, за да се ускори подготовката им за възможна военна работа, особено по темата за радарни технологии (радарат имаше сходства с електронното изчисление: той използваше електронни лампи за генериране и броене на височестотни импулси и интервалите на времето между тях; обаче впоследствие Мосли отрече наличието на сериозно влияние на радарите върху разработката на ENIAC).
Инженерната школа Мура
Курсът доведе до две основни последици за Мосли: първо, свърза го с Джон Преспер Екерт, наречен Прес, от местно семейство магнати в недвижимите имоти и млад електронен гений, който прекарваше всичките си дни в лабораторията на телевизионния пионер . По-късно Екерт ще раздели патента (който впоследствие ще бъде обявен за невалиден) на ENIAC с Мосли. Второ, това осигури на Мосли място в Школата Мура, слагайки край на дългата му академична изолация в блата на колежа Урсиниус. Това, изглежда, не се случи заради някакви особени заслуги на Мосли, а просто защото школата отчаяно се нуждаеше от хора за заместване на учените, напуснали, за да работят по военни поръчки.
Но до 1942 година голяма част от училището Мура сама започна да работи по военен проект: изчисляването на балистични траектории с помощта на механична и ръчна работа. Този проект естествено произлезе от съществуващата връзка между училището и полигонът в Абердин, намиращ се на 130 км по-надолу по крайбрежието, в Мериленда.
Полигонът беше създаден по време на Първата световна война за проверка на артилерията, в замен на предишния полигон в Санди Хук, Ню Джърси. Освен пряката стрелба, неговата задача беше да изчислява огневите таблици, използвани от артилерията в боя. Съпротивлението на въздуха не позволяваше просто да се реши квадратното уравнение, за да се определи мястото на приземяване на снаряда. Въпреки това, 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 постигане на такава точност, съвременните армии съставяха подробни таблици, които информираха стрелците колко далеч ще падне снарядът им след изстрел под определен ъгъл. Составителите използваха началната скорост и разположението на снаряда, за да изчислят неговото местонахождение 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, такива изчисления трябваше да се извършват за всички възможни ъгли на стрелба, отчитайки различни атмосферни условия. Изчислителната натовареност беше толкова голяма, че в Абердин завършиха изчисленията на всички таблици, започнати след завършването на Първата световна война, едва през 1936 година.
Очевидно, Абердину беше необходимо 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 . Единият ще бъде изпратен в Абердин, а другият ще остане на разположение на училището Мура и ще бъде използван по усмотрение на професурата. Анализаторът можеше за петнадесет минути да построи траектория, за изчисленията на която на човека му отнемаше няколко дни, въпреки че точността на изчисленията на компютъра беше малко по-ниска.
Демонстрация на гаубица в Абердин, ок. 1942
Но през 1940 г. изследователското подразделение, наречено сега Балистична изследователска лаборатория (Ballistic Research Laboratory, BRL), изискало обратно своята машина, която се намирала в училището на Мур, и започнало изчисления на артилерийски таблици за идващата война. Счетоводната група на училището също била привлечена за поддръжка на машината с помощта на хора-изчислители. До 1942 г. в училището работели 100 жени-изчислители, които по шест дни в седмицата обработвали изчисления за войната — сред тях била и съпругата на Моучли, Мери, която работела върху огневите таблици на Абърдийн. Моучли бил назначен за ръководител на друга група изчислители, работеща върху изчисленията за радарни антени.
От момента на пристигането си в училището на Мур, Моучли популяризирал идеята си за електронен компютър сред преподавателите. Той вече имал значителна подкрепа от Преспер Екерт и , старши член на факултета. Моучли предлагал идеята, Екерт — инженерния подход, Брейнърд — убедителността и легитимността. През пролетта на 1943 г. тази тройка решила, че е време да популяризира дълго зрялата идея на Моучли сред армейските чинове. Но загадките на климата, които той дълго се опитвал да разгадва, трябваше да изчакат. Новият компютър трябваше да послужи на нуждите на новия собственик: да проследява не вечните синусоиди на глобалните температурни цикли, а балистичните траектории на артилерийски снаряди.
ENIAC
През април 1943 г. Моучли, Екерт и Брейнърд изготвили чернова на "Доклад за електронния диференциален анализатор". Това привлече в техните редици още един съюзник, , математик и армейски офицер, служил като посредник между Абърдийн и училището на Мур. С помощта на Голдстайн групата представила идеята на комитета в BRL и получила военен грант, с Брейнърд в ролята на научен ръководител на проекта. Те трябвало да завършат изграждането на машината до септември 1944 г. с бюджет от $150 000. Екипът нарекъл проекта ENIAC: Electronic Numerical Integrator, Analyzer and Computer (Електронен числов интегратор и изчислител).
Отляво надясно: Джулиан Бигелоу, Герман Голдстайн, Робърт Опенхаймер, Джон фон Нойман. Снимката е направена в Принтънския институт за напреднали изследвания след войната, с по-късна версия на компютъра.
Както и в случая с „Колос във Великобритания“, авторитетното инженерство в САЩ, например, Комитетът за национално отбранително изследване (National Defense Research Committee, NDRC), се отнасял скептично към проекта ENIAC. Училището на Мур нямало репутацията на елитно образователно заведение, но предложило нещо нечувано. Дори такива индустриални гиганти като RCA едва успявали да създадат относително прости електронни изчислителни схеми, камо ли пък настраиващ електронен компютър. Джордж Стейбиц, архитект на релейни компютри в лабораторията на Бел, работещ по проекта на NDRC, смятал, че изграждането на ENIAC ще отнеме твърде много време, за да бъде полезен във война.
В това той се оказал прав. На изграждането на ENIAC ще бъдат нужни два пъти повече време и три пъти повече средства, отколкото първоначално е било планирано. Той изразходил значителна част от човешките ресурси на училището на Мур. За самото разработване се наложило да бъдат привлечени още седем души, в допълнение към начален екип на Моучли, Екерт и Брейнърд. Както и „Колос“, ENIAC привлече многобройни хора-изчислители, за да помогнат в настройването на тяхната електронна замяна. Сред тях били и съпругата на Херман Голдстайн, Адел, и Джийн Дженингс (по-късно Бартик), които по-късно щели да играят важна роля в разработването на компютри. Литерите NI в името ENIAC предполагали, че училището на Мур предоставя на армията цифрова, електронна версия на диференциалния анализатор, който да решава интеграли за траектории по-бързо и по-точно от аналоговия си механичен предшественик. Но в резултат те получили нещо много по-голямо.
Част от идеите на проекта може да са били заимствани от предложението от 1940 година, направено от Ирвин Тревис. Именно Тревис участвал в подписването на договора за използването на анализа на училището на Мур през 1933 година, а през 1940 предложил подобрена версия на анализатора, макар и не електронен, но работещ по цифров принцип. Той трябваше да използва механични броячи вместо аналогови колела. До 1943 година той напуснал училището на Мур и заел ръководна позиция във флота във Вашингтон.
Основата на възможностите на ENIAC, отново както и при „Колосса“, се състоеше в разнообразието на функционалните модули. Най-често се използваха акумулатори за събиране и броене. Нейната схема беше заета от електронните броячи на Уинна-Уилямс, използвани от физиците, и те буквално извършваха събиране с помощта на броене, така, както предучилищните деца броят на пръсти. Други функционални модули включваха умножители, генератори на функции и системи, които търсеха данни в таблици, което заменяше изчислението на по-сложни функции като синус и косинус. Всеки модул имаше свои програмни настройки, с които се задаваше малка последователност от операции. Както при „Колосса“, програмирането се извършваше с комбинация от панел с превключватели и подобни на телефонни комутатори панели с гнезда.
ENIAC имаше няколко електромеханични части, по-специално релейен регистър, който служеше като буфер между електронните акумулатори и перфораторните машини на IBM, използвани за вход и изход. Тази архитектура много напомняше на „Колосса“. Сем Уилямс от лабораторите на Бел, който сътрудничеше с Джордж Стибитц в създаването на релейни компютри на Бел, също построи регистър за ENIAC.
Ключовата разлика от „Колосса“ направи ENIAC по-гъвкава машина: възможността да програмира основните настройки. Основното програмирано устройство изпращаше импулси към функционалните модули, които предизвикваха стартиране на предварително зададени последователности, и получаваше отговор на импулсите след завършване на работата. След това то преминаваше към следващата операция в основната управляваща последователност и издаваше нужните изчисления под формата на функция на множество по-малки последователности. Основното програмирано устройство можеше да взема решения с помощта на стъпков двигател: пръстенови броячи, определящи на коя от шестте изходни линии да пренасочи импулса. По този начин устройството можеше да извършва до шест различни функционални последователности в зависимост от текущото състояние на стъпковия двигател. Тази гъвкавост позволяваше на ENIAC да решава задачи, много далеч от първоначалната му компетенция в областта на балистиката.
Настройка ENIAC с помощта на превключватели и комутатори
Екерт отговаряше за това, електрониката в това чудовище да бучи и жужи, и той самостоятелно измислил същите основни трикове, които и Флауърс в Блетчли: лампите трябва да работят с токове, много по-ниски от стандартните, и машината не трябва да се изключва. Но поради огромното количество лампи, беше нужна още една хитрост: свързаните модули, на които бяха монтирани десетки лампи, можеха да се изваждат лесно и да се заменят в случай на отказ. След това обслужващият персонал бавно намереше и заменяше отказалата лампа, а ENIAC веднага беше готов за работа. И дори с всичките тези предпазни мерки, предвид огромното количество лампи в ENIAC, той не можеше да изчислява задачи през целите уикенди или нощите, както правеха релетните компютри. В един момент непременно лампа изгаряше.
Пример за множество лампи в ENIAC
Отзивите за ENIAC често споменават неговите огромни размери. Редици от стелажи с лампи — общо 18 000 — превключватели и комутатори щяха да заемат типична селска къща и тревната площ пред нея. Неговият размер не беше обусловен само от компонентите му (лампите бяха относително големи), но и от странната архитектура. И макар всички компютри от средата на века да изглеждат големи според съвременните представи, следващото поколение електронни компютри беше значително по-малко от ENIAC и имаше много по-големи възможности при използването на една десета от електронните компоненти.
Панорама на ENIAC в училището на Мур
Гротескният размер на ENIAC произтича от две основни проектантски решения. Първото се стремяло да увеличи потенциалната скорост за сметка на разходите и сложността. След това почти всичките компютри съхраняваха числа в регистри, а ги обработваха в отделни аритметични модули, отново запазвайки резултатите в регистъра. ENIAC не е отделял модулите за съхранение и обработка. Всеки модул за съхранение на числа също е бил и обработващ модул, способен на събиране и изваждане, поради което е изисквал много повече лампи. Можеше да се разглежда като силно ускорена версия на отдела за хора-изчислители в училището на Мур, тъй като „компютърната му архитектура напомняше на двадесет хора-изчислители, работещи с десетзначни настолни калкулатори, предаващи резултатите от изчисленията тук и там“. В теория това позволяваше на ENIAC да извършва паралелни изчисления на няколко акумулатора, но тази възможност беше използвана рядко, а през 1948 година изобщо беше премахната.
Второто проектантско решение е по-трудно за оправдаване. За разлика от ABC или релейните машини на Бел, ENIAC не съхранявал числа в двоичен вид. Той превеждал десетичните механични изчисления директно в електронен вид, с десет тригера на всяка цифра — ако гореше първият, това беше нула, вторият — 1, третият — 2 и т.н. Това било огромен разход на скъпи електронни компоненти (например, за представяне на числото 1000 в двоичен вид са нужни 10 тригера, по един за всяка двоична цифра (1111101000); а в схемата на ENIAC за това били нужни 40 тригера, по десет за десетичната цифра), който, изглежда, е бил организиран само от страх от възможни сложности при преобразуването между двоичната и десетичната системи. Въпреки това, компютърът на Атанасов-Бери, „Колосът“, и релейните машини на Бел и Цузе са използвали двоична система и техните разработчици не са имали никакви сложностите с преобразуването между основанието.
Тези дизайнерски решения не могат да бъдат повторени. В това отношение ENIAC беше подобен на ABC - уникален куриоз, а не шаблон за всички съвременни компютри. Все пак неговото преимущество беше, че доказа, без всякакво съмнение, работоспособността на електронните компютри, изпълнявайки 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 като своите електромеханични родственици, но беше достатъчно надежден, за да използва своето предимство по отношение на скоростта с няколко стотин пъти. Изчисляването на балистичната траектория, за което на диференциалния анализатор му бяха нужни петнадесет минути, ENIAC можеше да направи за двадесет секунди - по-бързо, отколкото лети самият снаряд. И за разлика от анализатора, той можеше да го прави с същата точност, както човек-изчислител, използващ механичен калкулатор.
Въпреки това, както предсказваше Стибици, ENIAC се появи твърде късно, за да помогне в войната, и изчисленията на таблици вече не бяха толкова спешни. Но в Лос Аламос, Ню Мексико, продължаваше проект за разработка на тайно оръжие, който се състоя и след войната. Там също бяха необходими много изчисления. Един от физиците в Манхатънския проект, Едвард Телър, още през 1942 година се запали по идеята за „супероръжие“: много по-разрушително от това, което по-късно хвърлиха срещу Япония, с енергия от взрив, произтичаща от атомен синтез, а не от делене на ядра. Телър смяташе, че може да започне верижна реакция на синтез в смес от дейтерий (обикновен водород с допълнителен неутрон) и тритий (обикновен водород с два допълнителни неутрона). Но за това трябваше да се постигне ниско съдържание на тритий, тъй като той беше изключително рядък.
Затова учен от Лос Аламос донесе в училище на Мур разчетите за проверка на суперармията, в които беше необходимо да се изчисляват диференциални уравнения, моделиращи запалването на сместа от дейтерий и тритий при различни концентрации на тритий. Никой в училището на Мур нямаше разрешение да узнае за какво са извършвани тези разчети, но те послушно въведоха всички данни и уравнения, предоставени от ученика. Подробностите за разчетите остават тайна и до днес (както и цялата програма за изграждане на суперармия, днес известна като водородна бомба), въпреки че е известно, че Телер е счел получения през февруари 1946 година резултат от разчетите за потвърждение на жизнеспособността на своята идея.
В същия месец училището на Мур представи ENIAC на обществеността. По време на церемонията по откритие пред събрани важни лица и медии, операторите се престориха, че включват машината (въпреки че тя, разбира се, винаги е била включена), направиха няколко церемониални разчета, изчислявайки балистичната траектория, за да демонстрират невижданата скорост на електронните компоненти. След това служителите раздадоха перфокарти с тези разчети на всички присъстващи.
ENIAC продължи да решава няколко по-реални проблема през цялата 1946 година: набор от разчети по потока на течности (например, за обтекаемост на крило на самолет) за британския физик Дъглас Хартри, още един набор разчети за моделиране на имплозията на ядрено оръжие, разчети на траектории за новата деветдесетмиллиметрова оръдие в Абърдийн. След това мълча година и половина. В края на 1946 година, по договора на училището на Мур с армията, BRL опакова машината и я пренася на полигона. Там тя постоянно страдаше от проблеми с надеждността, а екипът на BRL не успя да я накара да работи достатъчно добре, за да извърши някаква полезна работа, до голямо обновление, завършено през март 1948. За модернизацията, напълно обновила ENIAC, ще говорим повече в следващата част.
Но това вече нямаше значение. Никой не се интересуваше от ENIAC. Вече вървеше надпреварата за създаването на неговия наследник.
Какво още да прочетете:
• Пол Серуци, Разчетите (1983)
• Томас Хайг, и др., ENIAC в действие (2016)
• Дейвид Ричи, Компютърните пионери (1986)
Източник: habr.com
