Други статии от поредицата:
- История на релето
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- Интернет история
Досега погледнахме назад към всеки от първите три опита за изграждане на цифров електронен компютър: ABC компютърът Atanasoff-Berry, замислен от Джон Атанасов; британският проект Colossus, ръководен от Томи Флауърс, и ENIAC, създаден в Moore School на Университета на Пенсилвания. Всички тези проекти всъщност бяха независими. Въпреки че Джон Мокли, главният двигател на проекта ENIAC, е бил наясно с работата на Атанасов, дизайнът на ENIAC по никакъв начин не прилича на ABC. Ако имаше общ предшественик на електронното изчислително устройство, това беше скромният брояч на Wynne-Williams, първото устройство, което използва вакуумни тръби за цифрово съхранение и постави Атанасов, Флауърс и Мокли по пътя към създаването на електронни компютри.
Само една от тези три машини обаче играе роля в последвалите събития. ABC никога не е създал полезна работа и като цяло малкото хора, които са знаели за него, са го забравили. Двете военни машини се оказаха способни да надминат всеки друг съществуващ компютър, но Колосът остана в тайна дори след като победи Германия и Япония. Едва ENIAC става широко известен и следователно става носител на стандарта за електронни изчисления. И сега всеки, който искаше да създаде изчислително устройство, базирано на вакуумни тръби, можеше да посочи успеха на училището на Мур за потвърждение. Вкорененият скептицизъм от инженерната общност, който приветстваше всички подобни проекти преди 1945 г., изчезна; скептиците или промениха мнението си, или млъкнаха.
EDVAC доклад
Издаден през 1945 г., документът, базиран на опита от създаването и използването на ENIAC, задава тона за посоката на компютърните технологии в света след Втората световна война. Той беше наречен "първият чернови на доклад за EDVAC" [Електронен дискретен променлив автоматичен компютър] и предостави шаблон за архитектурата на първите компютри, които бяха програмируеми в съвременния смисъл - тоест изпълняващи инструкции, извлечени от високоскоростна памет. И въпреки че точният произход на идеите, изброени в него, остава въпрос на дебат, той е подписан с името на математика (роден като Янош Лайос Нойман). Типично за съзнанието на математика, статията прави и първия опит да се абстрахира дизайнът на компютър от спецификациите на конкретна машина; той се опита да отдели самата същност на структурата на компютъра от неговите различни вероятни и случайни въплъщения.
Фон Нойман, роден в Унгария, дойде в ENIAC през Принстън (Ню Джърси) и Лос Аламос (Ню Мексико). През 1929 г., като завършен млад математик със забележителен принос към теорията на множествата, квантовата механика и теорията на игрите, той напуска Европа, за да заеме позиция в Принстънския университет. Четири години по-късно, близкият Институт за напреднали изследвания (IAS) му предлага позиция на титуляр. Поради възхода на нацизма в Европа, фон Нойман с радост се възползва от шанса да остане за неопределено време от другата страна на Атлантическия океан - и в крайна сметка става един от първите еврейски интелектуални бежанци от Европа на Хитлер. След войната той се оплака: „Чувствата ми към Европа са противоположни на носталгията, тъй като всеки ъгъл, който познавам, ми напомня за изчезнал свят и руини, които не носят никаква утеха“ и си спомни „пълното ми разочарование от човечността на хората в от 1933 до 1938 г.
Отвратен от изгубената многонационална Европа от младостта си, фон Нойман насочва целия си интелект да помогне на военната машина, която принадлежи на страната, която го е приютила. През следващите пет години той кръстосва страната, съветвайки и консултирайки широка гама от проекти за нови оръжия, като същевременно успява по някакъв начин да бъде съавтор на плодотворна книга за теорията на игрите. Неговата най-тайна и важна работа като консултант беше позицията му по проекта Манхатън - опит за създаване на атомна бомба - изследователският екип на който беше разположен в Лос Аламос (Ню Мексико). Робърт Опенхаймер го наема през лятото на 1943 г., за да помогне с математическото моделиране на проекта и неговите изчисления убеждават останалата част от групата да се насочат към бомба с навътре. Такава експлозия, благодарение на експлозивите, които движат делящия се материал навътре, би позволила постигането на самоподдържаща се верижна реакция. В резултат на това бяха необходими огромен брой изчисления, за да се постигне перфектната сферична експлозия, насочена навътре при желаното налягане - и всяка грешка би довела до прекъсване на верижната реакция и фиаско на бомбата.
Фон Нойман, докато работи в Лос Аламос
В Лос Аламос имаше група от двадесет човешки калкулатори, които имаха на разположение настолни калкулатори, но не можеха да се справят с изчислителното натоварване. Учените им дадоха оборудване от IBM за работа с перфокарти, но те пак не успяха да се справят. Те поискаха подобрено оборудване от IBM, получиха го през 1944 г., но все още не можаха да се справят.
Дотогава фон Нойман беше добавил още един набор от сайтове към редовното си кръстосване: той посети всяко възможно местоположение на компютърно оборудване, което можеше да бъде полезно в Лос Аламос. Той написа писмо до Уорън Уивър, ръководител на отдела за приложна математика на Националния комитет за изследване на отбраната (NDRC), и получи няколко добри следи. Той отиде в Харвард, за да погледне Mark I, но вече беше напълно зареден с работа за флота. Той разговаря с Джордж Стибиц и обмисля да поръча релеен компютър Bell за Лос Аламос, но се отказа от идеята, след като научи колко време ще отнеме. Той посети група от Колумбийския университет, която беше интегрирала няколко IBM компютъра в по-голяма автоматизирана система под ръководството на Уолъс Екерт, но нямаше забележимо подобрение спрямо IBM компютрите, които вече бяха в Лос Аламос.
Уивър обаче не включва един проект в списъка, който дава на фон Нойман: ENIAC. Той със сигурност знаеше за това: в позицията си на директор по приложна математика той отговаряше за наблюдението на напредъка на всички компютърни проекти в страната. Уивър и NDRC със сигурност може да са имали съмнения относно жизнеспособността и времето на ENIAC, но е доста изненадващо, че той дори не спомена за съществуването му.
Каквато и да е причината, резултатът е, че фон Нойман научава за ENIAC само чрез случайна среща на железопътна платформа. Тази история беше разказана от Херман Голдщайн, връзка в тестовата лаборатория на Moore School, където е създаден ENIAC. Голдщайн се среща с фон Нойман на жп гарата в Абърдийн през юни 1944 г. - фон Нойман заминава за една от своите консултации, които той провежда като член на научния консултативен комитет в лабораторията за балистични изследвания в Абърдийн. Голдщайн познава репутацията на фон Нойман като велик човек и започва разговор с него. В желанието си да направи впечатление, той нямаше как да не спомене нов и интересен проект, който се развива във Филаделфия. Подходът на фон Нойман моментално се промени от този на самодоволния колега до този на твърд контролер и той засипа Голдщайн с въпроси, свързани с детайлите на новия компютър. Той откри интересен нов източник на потенциална компютърна мощност за Лос Аламос.
Фон Нойман за първи път посети Преспер Екерт, Джон Мокли и други членове на екипа на ENIAC през септември 1944 г. Той веднага се влюби в проекта и добави още един елемент към дългия си списък от организации, за да се консултира. И двете страни спечелиха от това. Лесно е да се разбере защо фон Нойман е привлечен от потенциала на високоскоростните електронни изчисления. ENIAC или подобна на него машина имаше способността да преодолее всички изчислителни ограничения, които бяха възпрепятствали напредъка на проекта Манхатън и много други съществуващи или потенциални проекти (обаче законът на Сей, който е в сила и днес, гарантира, че появата на изчислителните възможности скоро ще създадат еднакво търсене за тях) . За училището Мур благословията на такъв признат специалист като фон Нойман означава край на скептицизма към тях. Нещо повече, като се има предвид силната му интелигентност и богат опит в цялата страна, неговата широчина и дълбочина на познанията в областта на автоматичните изчисления бяха несравними.
Ето как фон Нойман се включва в плана на Eckert и Mauchly за създаване на наследник на ENIAC. Заедно с Херман Голдщайн и друг математик от ENIAC, Артър Бъркс, те започнаха да скицират параметри за второто поколение на електронния компютър и именно идеите на тази група фон Нойман обобщи в "първи чернови" на доклада. Новата машина трябваше да бъде по-мощна, да има по-плавни линии и, най-важното, да преодолее най-голямата бариера пред използването на ENIAC - многото часове настройка за всяка нова задача, през които този мощен и изключително скъп компютър просто бездействаше. Дизайнерите на последното поколение електромеханични машини, Harvard Mark I и Bell Relay Computer, избегнаха това, като въведоха инструкции в компютъра с помощта на хартиена лента с дупки, така че операторът да може да подготви хартията, докато машината изпълнява други задачи . Подобно въвеждане на данни обаче би обезсилило предимството на електрониката в скоростта; никоя хартия не може да предостави данни толкова бързо, колкото ENIAC може да ги получи. („Колосът“ работеше с хартия с помощта на фотоелектрични сензори и всеки от петте му изчислителни модула поглъщаше данни със скорост от 5000 знака в секунда, но това беше възможно само благодарение на най-бързото превъртане на хартиената лента. Отивайки до произволно място на лентата изисква забавяне от 0,5 s за всеки 5000 реда).
Решението на проблема, описан в „първата чернова“, беше да се премести съхранението на инструкции от „външен носител на запис“ в „памет“ - тази дума беше използвана за първи път във връзка със съхранението на компютърни данни (фон Нойман специално използва този и други биологични термини в работата - той беше много заинтересован от работата на мозъка и процесите, протичащи в невроните). Тази идея по-късно беше наречена „програмно съхранение“. Това обаче веднага доведе до друг проблем - който дори озадачи Атанасов - прекалено високата цена на електронните тръби. „Първата чернова“ изчислява, че компютър, способен да изпълнява широк набор от изчислителни задачи, ще изисква памет от 250 000 двоични числа за съхраняване на инструкции и временни данни. Тръбна памет с такъв размер би струвала милиони долари и би била напълно ненадеждна.
Решение на дилемата беше предложено от Екерт, който работи върху радарни изследвания в началото на 1940 г. по договор между Moore School и Rad Lab на MIT, централния изследователски център за радарни технологии в Съединените щати. По-конкретно, Екерт работеше върху радарна система, наречена „Индикатор за движеща се цел“ (MTI), която решаваше проблема с „наземния сигнал“: всеки шум на екрана на радара, създаден от сгради, хълмове и други неподвижни обекти, който затрудняваше операторът да изолира важна информация – размер, местоположение и скорост на движещия се самолет.
MTI реши проблема с факела с помощта на устройство, наречено . Той преобразува електрическите импулси на радара в звукови вълни и след това изпраща тези вълни по живачна тръба, така че звукът да достигне до другия край и да се преобразува обратно в електрически импулс, докато радарът сканира отново същата точка в небето (линии на забавяне за разпространение Звукът може да се използва и от други среди: други течности, твърди кристали и дори въздух (според някои източници идеята им е изобретена от физика на Bell Labs Уилям Шокли, за когото по-късно). Всеки сигнал, пристигащ от радара едновременно със сигнала през тръбата, се считаше за сигнал от неподвижен обект и се премахваше.
Екерт разбра, че звуковите импулси в линията на забавяне могат да се считат за двоични числа - 1 показва наличието на звук, 0 показва липсата му. Една живачна тръба може да съдържа стотици от тези цифри, всяка от които преминава през линията няколко пъти на милисекунда, което означава, че компютърът ще трябва да изчака няколкостотин микросекунди, за да получи достъп до цифрата. В този случай достъпът до последователни цифри в слушалката ще бъде по-бърз, тъй като цифрите са разделени само с няколко микросекунди.
Линии на забавяне на живак в британския компютър EDSAC
След като разрешава големи проблеми с дизайна на компютъра, фон Нойман събира идеите на цялата група в доклад от 101 страници „първа чернова“ през пролетта на 1945 г. и го разпространява до ключови фигури в проекта EDVAC от второ поколение. Доста скоро той проникна в други кръгове. Математикът Лесли Комри, например, взе копие у дома във Великобритания, след като посети училището на Мур през 1946 г. и го сподели с колеги. Разпространението на доклада разгневи Екерт и Мокли по две причини: първо, в него се отдава голяма част от заслугата на автора на черновата, фон Нойман. Второ, всички основни идеи, съдържащи се в системата, всъщност бяха публикувани от гледна точка на патентното ведомство, което се намеси в техните планове за комерсиализиране на електронния компютър.
Самата основа на негодуванието на Екерт и Мокли предизвика на свой ред възмущението на математиците: фон Нойман, Голдщайн и Бъркс. Според тях докладът е важно ново знание, което трябва да бъде разпространено възможно най-широко в духа на научния прогрес. Освен това цялото това предприятие беше финансирано от правителството и следователно за сметка на американските данъкоплатци. Те бяха отблъснати от комерсиализма на опита на Екерт и Мокли да направят пари от войната. Фон Нойман пише: „Никога не бих приел консултантска позиция в университет, знаейки, че съветвам търговска група.“
Пътищата на фракциите се разделиха през 1946 г.: Eckert и Mauchly откриха своя собствена компания, базирана на привидно по-безопасен патент, базиран на технологията ENIAC. Първоначално те кръстиха компанията си Electronic Control Company, но на следващата година я преименуваха на Eckert-Mauchly Computer Corporation. Фон Нойман се завръща в IAS, за да създаде компютър, базиран на EDVAC, и към него се присъединяват Голдщайн и Бъркс. За да предотвратят повторение на ситуацията с Eckert и Mauchly, те се погрижиха цялата интелектуална собственост на новия проект да стане обществено достояние.
Фон Нойман пред компютъра IAS, построен през 1951 г.
Ритрийт, посветен на Алън Тюринг
Сред хората, които са видели доклада на EDVAC по заобиколен начин, е британският математик Алън Тюринг. Тюринг не беше сред първите учени, които създадоха или си представиха автоматичен компютър, електронен или друг, и някои автори силно преувеличиха ролята му в историята на компютрите. Трябва обаче да му отдадем заслуженото за това, че е първият човек, осъзнал, че компютрите могат да направят нещо повече от това просто да „изчислят“ нещо, като просто обработват големи поредици от числа. Основната му идея беше, че информацията, обработена от човешкия ум, може да бъде представена под формата на числа, така че всеки умствен процес може да се превърне в изчисление.
Алън Тюринг през 1951 г
В края на 1945 г. Тюринг публикува свой собствен доклад, в който се споменава фон Нойман, озаглавен „Предложение за електронен калкулатор“ и предназначен за Британската национална физическа лаборатория (NPL). Той не се задълбочи толкова дълбоко в конкретните детайли на дизайна на предложения електронен компютър. Диаграмата му отразяваше ума на логика. Не е предвидено да има специален хардуер за функции от високо ниво, тъй като те могат да бъдат съставени от примитиви от ниско ниво; би било грозен израстък върху красивата симетрия на колата. Тюринг също не е разпределил никаква линейна памет за компютърната програма - данните и инструкциите могат да съществуват едновременно в паметта, тъй като са просто числа. Една инструкция става инструкция само когато се тълкува като такава (статията на Тюринг от 1936 г. „за изчислимите числа“ вече е изследвала връзката между статични данни и динамични инструкции. Той описва това, което по-късно става наречено „машина на Тюринг“ и показва как може да се превърне в число и да се подава като вход към универсална машина на Тюринг, способна да интерпретира и изпълнява всяка друга машина на Тюринг). Тъй като Тюринг знаеше, че числата могат да представляват всякаква форма на точно определена информация, той включи в списъка с проблеми, които трябваше да бъдат решени на този компютър не само конструирането на артилерийски таблици и решаването на системи от линейни уравнения, но също така и решаването на пъзели и занимания по шах.
Автоматичният двигател на Тюринг (ACE) никога не е бил конструиран в оригиналната си форма. Беше твърде бавен и трябваше да се конкурира с по-нетърпеливи британски компютърни проекти за най-добрите таланти. Проектът е в застой за няколко години, след което Тюринг губи интерес към него. През 1950 г. NPL прави Pilot ACE, по-малка машина с малко по-различен дизайн, а няколко други компютърни дизайна се вдъхновяват от архитектурата на ACE в началото на 1950-те години. Но тя не успя да разшири влиянието си и бързо потъна в забрава.
Но всичко това не омаловажава заслугите на Тюринг, а просто помага да го поставим в правилния контекст. Значението на неговото влияние върху историята на компютрите се основава не на компютърните проекти от 1950-те години на миналия век, а на теоретичната основа, която той предостави за компютърните науки, появили се през 1960-те години. Ранните му трудове по математическа логика, които изследват границите на изчислимото и неизчислимото, се превръщат във фундаментални текстове на новата дисциплина.
Бавна революция
С разпространението на новините за ENIAC и доклада на EDVAC училището на Мур се превърна в място за поклонение. Много посетители идваха да се учат в краката на майсторите, особено от САЩ и Великобритания. За да рационализира потока от кандидати, деканът на училището през 1946 г. трябваше да организира лятно училище по автоматични изчислителни машини, работещо по покана. Бяха изнесени лекции от такива светила като Екерт, Маухли, фон Нойман, Бъркс, Голдщайн и Хауърд Айкен (разработчик на електромеханичния компютър Harvard Mark I).
Сега почти всички искаха да създават машини според инструкциите от доклада на EDVAC (по ирония на съдбата, първата машина, която стартира програма, съхранена в паметта, беше самият ENIAC, който през 1948 г. беше преобразуван да използва инструкции, съхранени в паметта. Едва тогава започна да работи успешно в новия си дом, Aberdeen Proving Ground). Дори имената на нови компютърни проекти, създадени през 1940-те и 50-те години на миналия век, са повлияни от ENIAC и EDVAC. Дори и да не вземете предвид UNIVAC и BINAC (създадени в новата компания на Eckert и Mauchly) и самия EDVAC (завършен в Moore School, след като основателите му са го напуснали), все още има AVIDAC, CSIRAC, EDSAC, FLAC, ILLIAC, JOHNNIAC, ORDVAC, SEAC, SILLIAC, SWAC и WEIZAC. Много от тях директно копираха свободно публикувания дизайн на IAS (с незначителни промени), като се възползваха от политиката на фон Нойман за откритост по отношение на интелектуалната собственост.
Електронната революция обаче се развива постепенно, променяйки съществуващия ред стъпка по стъпка. Първата машина в стил EDVAC се появява едва през 1948 г. и това е само малък проект за доказателство на концепцията, „бебе“ от Манчестър, предназначено да докаже жизнеспособността на паметта на (повечето компютри преминаха от живачни тръби към друг тип памет, която също дължи произхода си на радарната технология. Само че вместо тръби използва CRT екран. Британският инженер Фредерик Уилямс беше първият, който измисли как да реши проблема с стабилност на тази памет, в резултат на което дисковете получиха неговото име). През 1949 г. са създадени още четири машини: пълноразмерният Manchester Mark I, EDSAC в университета в Кеймбридж, CSIRAC в Сидни (Австралия) и американският BINAC - въпреки че последният никога не е влязъл в експлоатация. Малък, но стабилен продължи през следващите пет години.
Някои автори описват ENIAC така, сякаш е дръпнал завеса над миналото и незабавно ни е въвел в ерата на електронните компютри. Поради това истинските доказателства бяха силно изкривени. „Появата на изцяло електронния ENIAC почти веднага направи Mark I остарял (въпреки че той продължи да работи успешно петнадесет години след това)“, пише Катрин Дейвис Фишман, The Computer Establishment (1982). Това твърдение е толкова очевидно противоречиво, че човек би си помислил, че лявата ръка на г-ца Фишман не знае какво прави дясната й ръка. Можете, разбира се, да отдадете това на бележките на обикновен журналист. Въпреки това откриваме няколко истински историци, които отново избират Mark I за свое момче за бичуване, пишейки: „Харвардският Mark I не само беше техническа задънена улица, той не направи нищо много полезно през петнадесетте години на експлоатация. Той беше използван в няколко проекта на флота и там машината се оказа достатъчно полезна за флота, за да поръча повече изчислителни машини за лабораторията Aiken." [Aspray и Campbell-Kelly]. Отново явно противоречие.
Всъщност релейните компютри имаха своите предимства и продължиха да работят заедно с електронните си братовчеди. Няколко нови електромеханични компютъра са създадени след Втората световна война и дори в началото на 1950-те години в Япония. Релейните машини бяха по-лесни за проектиране, изграждане и поддръжка и не изискваха толкова много електричество и климатизация (за разсейване на огромното количество топлина, излъчвано от хиляди вакуумни тръби). ENIAC използва 150 kW електроенергия, 20 от които са използвани за охлаждане.
Американската армия продължава да бъде основният потребител на изчислителна мощност и не пренебрегва „остарели“ електромеханични модели. В края на 1940-те години на миналия век армията имаше четири релейни компютъра, а флотът имаше пет. Лабораторията за балистични изследвания в Абърдийн имаше най-голямата концентрация на изчислителна мощност в света с ENIAC, релейни калкулатори от Bell и IBM и стар диференциален анализатор. В доклада от септември 1949 г. на всеки е дадено своето място: ENIAC работи най-добре с дълги, прости изчисления; Калкулаторът Model V на Bell беше по-добър в обработката на сложни изчисления благодарение на практически неограничената дължина на лентата с инструкции и възможностите за изчисления с плаваща запетая, а IBM можеше да обработва много големи количества информация, съхранявана на перфокарти. Междувременно някои операции, като извличане на кубични корени, все още бяха по-лесни за извършване ръчно (с помощта на комбинация от електронни таблици и настолни калкулатори) и спестяваха машинно време.
Най-добрият маркер за края на електронната изчислителна революция няма да бъде 1945 г., когато се ражда ENIAC, а 1954 г., когато се появяват компютрите IBM 650 и 704. Това не са първите търговски електронни компютри, но са първите, произведени през стотиците и определя господството на IBM в компютърната индустрия, което продължава тридесет години. В терминологията , електронните компютри вече не бяха странната аномалия от 1940-те години на миналия век, съществуваща само в мечтите на изгнаници като Атанасов и Мокли; те са се превърнали в нормална наука.
Един от многото компютри IBM 650 - в този случай пример за Тексаски университет A&M. Магнитната барабанна памет (отдолу) го прави сравнително бавен, но и сравнително евтин.
Напускане на гнездото
До средата на 1950-те години на миналия век схемите и дизайнът на цифровото изчислително оборудване са се отделили от произхода си в аналоговите превключватели и усилватели. Компютърните проекти от 1930-те и началото на 40-те години на миналия век разчитаха до голяма степен на идеи от физика и радарни лаборатории и особено идеи от телекомуникационни инженери и изследователски отдели. Сега компютрите бяха организирали свое собствено поле и експертите в областта разработваха свои собствени идеи, речник и инструменти за решаване на собствените си проблеми.
Компютърът се появи в съвременния си смисъл и следователно нашият е към своя край. Светът на телекомуникациите обаче имаше още един интересен асо в ръкава си. Вакуумната тръба надмина релето, тъй като нямаше движещи се части. И последното реле в нашата история имаше предимството на пълната липса на каквито и да било вътрешни части. Безобидно изглеждащата буца материя с няколко стърчащи от нея жици се появи благодарение на нов клон на електрониката, известен като „твърдо състояние“.
Въпреки че вакуумните тръби бяха бързи, те все още бяха скъпи, големи, горещи и не особено надеждни. С тях беше невъзможно да се направи, да речем, лаптоп. Фон Нойман пише през 1948 г., че "е малко вероятно да успеем да надхвърлим броя на превключвателите от 10 000 (или може би няколко десетки хиляди), докато сме принудени да прилагаме съвременната технология и философия)." Релето в твърдо състояние даде на компютрите способността да прокарват тези граници отново и отново, нарушавайки ги многократно; влизат в употреба в малки предприятия, училища, домове, домакински уреди и се побират в джобове; да създадем магическа дигитална земя, която прониква в нашето съществуване днес. И за да открием неговия произход, трябва да върнем часовника назад петдесет години назад и да се върнем към интересните ранни дни на безжичната технология.
Какво още да прочетете:
- Дейвид Андерсън, „Беше ли бебето от Манчестър заченато в Блечли Парк?“, Британско компютърно общество (4 юни 2004 г.)
- Уилям Аспрей, Джон фон Нойман и произходът на съвременните компютри (1990)
- Мартин Кембъл-Кели и Уилям Аспрей, Компютър: История на информационната машина (1996)
- Томас Хей и др. др., Eniac в действие (2016)
- Джон фон Нойман, „Първа чернова на доклад за EDVAC“ (1945 г.)
- Алън Тюринг, „Предложен електронен калкулатор“ (1945 г.)
Източник: www.habr.com