Забравено поколение релейни компютри

В нашата в предишната статия говорим за процъфтяването на автоматичните телефонни комутатори, управлявани чрез релейни схеми. Този път искаме да разкажем как учени и инженери разработвали релейни схеми в първото — вече забравено — поколение цифрови компютри.

Реле в зенита

Ако помните, работата на реле се основава на прост принцип: електромагнит манипулира метален превключвател. Идеята за реле е предложена независимо от няколко изследователи и предприемачи в сферата на телеграфния бизнес през 1830-те години. После, в средата на XIX век, изобретатели и механика трансформираха релето в надежден и незаменим компонент на телеграфните мрежи. Именно в тази област животът на релето достигна зенита си: той беше миниатюриран, а поколения инженери създадоха несметно множество конструкции, формално изучавайки математика и физика.

В началото на XX век не само автоматичните комутационни системи, но и практически всичкото оборудване на телефонните мрежи съдържаше различни видове релета. Едно от най-ранните приложения в телефонната свързаност датира от 1870-те години, в ръчните комутатори. Когато абонатът завъртял дръжката на телефона (магнетичната дръжка), сигнал стигнал до телефонната станция, активиращ бленкер. Бленкерът — това е реле, при срабатывнето на което на комутационната маса пред телефонния оператор пада метална заслонка, уведомявайки за входящо обаждане. Тогава операторката вкарвала щекер в контакта, релето се нулирало, след което можело да се вдигне отново заслонката, която в това положение се задържала от електромагнита.

Към 1924 г., както писали двама инженери от компания Bell, типична ръчна телефонна станция обслужвала около 10 хиляди абонати. В нейното оборудване имало 40—65 хиляди релета, чиято обща магнитна сила била „достатъчна за вдигане на 10 тона“. В големите телефонни станции с машинни комутатори тези характеристики се умножавали по две. В цялата телефонна система на САЩ се използвали много милиони релета, и тяхното количество постоянно нараствало с автоматизацията на телефонните станции. Едно телефонно свързване можело да се обслужва от единици до стотици релета — в зависимост от броя и оборудването на участващите телефонни станции.

Фабриките на компания Western Electric, част от производствената структура на корпорация Bell, произвеждаха огромен асортимент реле. Инженерите създадоха толкова модификации, че дори най-изисканият собственик на кучета или гълъби би завидял на това разнообразие. Скоростта на работа и чувствителността на релеите бяха оптимизирани, а размерите намалени. През 1921 г. Western Electric произведе почти 5 милиона реле от десет основни типа. Най-масовото беше универсалното реле Type E, плоското, практически правоъгълно устройство, което тежеше няколко десетки грама. То беше изработвано основно от щамповани метални части, т.е. беше технологично в производството. Корпусът защитавал контактите от прах и наведени токове от съседни устройства: обикновено релеите се монтираха плътно едно до друго, в стелажи с хиляди реле. Общо бяха разработени 3000 варианта на Type E, като всеки от тях се отличаваше с конфигурацията на навивките и контактите.

Скоро тези реле започнаха да се използват в най-сложните комутатори.

Координатен комутатор

През 1910 година на Готтхилф Бетуландер (Gotthilf Betulander), инженер в Royal Telegrafverket — държавна корпорация, контролираща голяма част от шведския телефонен пазар (в продължение на десетилетия — почти целия), му хрумна идея. Той вярваше, че може значително да подобри ефективността на операциите на Telegrafverket чрез изграждане на автоматични комуникационни системи, напълно основани на реле. По-точно, на релейни матрици: решетки от стоманени пръти, свързани с телефонни линии, с реле в местата на пресичане на прътите. Такъв комутатор трябваше да работи по-бързо, по-надеждно и да бъде по-лесен за обслужване в сравнение със системите на основа на плъзгащи или въртящи контакти.

Освен това, Бетуландер измисли, че могат да бъдат изолирани части от системата, отговорни за избора и свързването, в независими релейни схеми. А останалата част от системата трябваше да се използва само за установяване на речевия канал, а след това да се освобождава за обслужване на друго повикване. Тоест, Бетуландер стигна до идеята, която по-късно нарекоха "общо управление" (common control).

Схема, която съхранява номера на входящия повик, той нарече "рекордер" (друг термин е - регистър). А схемата, която открива в решетката и "означава" наличната връзка, нарече "маркер". Авторът е патентовал своята система. Няколко такива станции се появиха в Стокхолм и Лондон. А през 1918 г. Бетуландер научава за американското нововъведение: координатния комутатор, създаден от инженера на Bell Джон Рейнолдс пет години по-рано. Този комутатор много приличаше на разработката на Бетуландер, но в него се използваше n + m релета за обслужване n + m възли на матрицата, което беше много по-удобно за по-нататъшно разширение на телефонните станции. При установяването на връзка задържащата релса захващаше "пръстите" от роялните струни, а избиращата релса се движеше по матрицата, за да се свърже с друго повикване. На следващата година Бетуландер внедри тази идея в конструкцията на своя комутатор.

Но повечето инженери смятаха творението на Бетуландер за странно и прекалено сложно. Когато дойде време да се избере комутационна система за автоматизация на мрежите на най-големите шведски градове, Telegrafverket отдаде предпочитание на конструкцията, разработена в компанията Ericsson. Комутаторите на Бетуландер се използваха само в малки телефонни станции в селските райони: релейките бяха по-надеждни от моторизираната автоматизация на комутаторите на Ericsson и не изискваха обслужващи техници на всяка станция.

Обаче американските телефонни инженери имаха друго мнение по този въпрос. През 1930 г. специалисти от Bell Labs пристигнаха в Швеция и бяха "много впечатлени от параметрите на координатния комутационен модул". След завръщането си американците незабавно започнаха да работят над това, което по-късно стана известно като "координатна система № 1", заменяща панелните комутатори в големите градове. До 1938 г. две такива системи бяха инсталирани в Ню Йорк. Скоро те се превърнаха в стандартно оборудване за градските телефонни станции, докато повече от 30 години по-късно не бяха заменени от електронни комутатори.

Най-интригуващият компонент на координатния комутатор № 1 стана новият, по-сложен маркер, разработен от Bell. Той е предназначен за намиране на свободен маршрут от повикващия към повикания чрез няколко свързващи се помежду си координатни модула, благодарение на което се създава телефонна връзка. Освен това маркерът трябваше да тества всяко свързване за състояние "свободно"/"заето". Това изискваше прилагането на условна логика. Както пише историкът Роберт Чапиус (Robert Chapuis):

Изборът е условен, тъй като свободното свързване се запазва само ако осигурява достъп до координатната релса, която има свободно свързване на изхода към следващото ниво. Ако няколко набора свързвания отговарят на необходимите условия, "приоритетната логика" (preferential logic) избира едно от [съществуващите] най-редките свързвания…

Координатният комутатор е прекрасен пример за взаимно обогатяване на технологични идеи. Бетуландер създаде своя напълно релейен комутатор, след което подобри неговата комутирна матрица на Рейнолдс и доказа работоспособността на получения конструкция. Инженерите на AT&T по-късно преработиха този хибриден комутатор, подобриха го и създадоха координатна система № 1. След това тази система стана компонент на две ранни изчислителни машини, едната от които днес е известна като важен етап в историята на изчислителната техника.

Математически изчисления (Mathematical labor)

За да разберем как и защо релеят и техните електронни "събратя" помогнаха да се извърши революция в изчислителната техника, ще ни е нужен кратък экскурс в света на математическите изчисления. След него ще стане ясно защо възникна скрито търсене за оптимизиране на изчислителните процеси.

Към началото на XX век цялата система на съвременната наука и инженерство се основава на труда на хиляди хора, извършващи математически изчисления. Те се наричаха компютри (computers) [За да не възниква объркване, в по-нататъшния текст ще се използва терминът изчислители. — Примеч. пер.]. Още в 1820-те години Чарлз Бебидж създаде разностната машина (въпреки че неговият апарат имаше идейни предшественици). Основната му задача бе автоматизацията на съставянето на математически таблици, например за навигация (изчисляване на тригонометрични функции с полиномни апроксимации при 0 градуса, 0,01 градуса, 0,02 градуса и т. н.). Съществуваше също голямо търсене на математически изчисления в астрономията: необходимо беше да се обработват суровите резултати от телескопските наблюдения в определени области на небесната сфера (а зависимостите от времето и датата на наблюденията) или да се определят орбитите на нови обекти (например кометата Халея).

От времето на Бебидж нуждата от изчислителни машини значително нарасна. Електрическите компании трябваше да разберат поведението на магистралните системи за пренос на енергия с изключително сложни динамични свойства. Оръдията от бесемеровская стомана, способни да изстрелват снаряди извън хоризонта (което означава, че благодарение на непосредственото наблюдение на целта вече не бяха нужни насочвания), изискваха все по-точни балистични таблици. Новите статистически инструменти, които подразбираха голямо количество математически изчисления (например, методът на най-малките квадрати), се използваха все по-широко както в науката, така и в нарастващата държавна администрация. В университетите, правителствените учреждения и индустриалните корпорации се създаваха изчислителни отдели, в които обикновено наемаха жени.

Механичните калкулатори само улесниха задачата на изчисленията, но не я решиха. Калкулаторите ускориха аритметичните операции, но всякакви сложни научни или инженерни задачи изискваха стотици или хиляди операции, всяка от които изчислителят (човек) трябваше да изпълни ръчно, внимателно записвайки всички междинни резултати.

Новите подходи към проблема с математическите изчисления бяха повлияни от няколко фактора. Младите учени и инженери, които болезнено работеха по своите задачи през нощта, искаха да облекчат ръцете и очите си. Ръководителите на проекти бяха принудени да изразходват все повече средства за заплати на многобройните изчислители, особено след Първата световна война. Накрая, много напреднали научни и инженерни задачи трудно се поддаваха на ръчни изчисления. Всички тези фактори доведоха до създаването на серии изчислителни машини, по които работата се ръководеше от Вэнивара Буш (Vannevar Bush) — инженер-електротехник от Масачузетския технологичен институт (MIT).

Диференциален анализатор

До този момент историята често беше безлична, но сега ще говорим повече за конкретни хора. Славата избегна създателите на панелния комутатор, релето Type E и схемата на координатния маркер. За тях не са останали дори биографски анекдоти. Единствените общодостъпни свидетелства за живота им са фосилизирани остатъци от създадените от тях машини.

Сега можем да получим по-дълбоко разбиране за хората и тяхното минало. Но вече няма да срещнем тези, които неуморно работеха на таваните и в работилниците у дома — Морзе и Вейла, Белла и Уотсона. Към края на Първата световна война ерата на героичните изобретатели почти приключи. Томас Едисон може да се смята за преходна фигура: в началото на кариерата си той беше наемен изобретател, а в края стана собственик на „фабрика за изобретения“. Към това време разработването на най-забележителните нови технологии стана дело на организации — университети, изследователски звена на корпорации, правителствени лаборатории. Хората, за които ще говорим в този раздел, принадлежат именно на такива организации.

Например, Вэнивар Буш. Той пристигна в MIT през 1919 г., когато беше на 29 години. Малко над 20 години по-късно той стана част от групата хора, повлияли на участието на САЩ във Втората световна война, и помогна за увеличаване на държавното финансиране, което завинаги промени взаимоотношенията между правителството, академичната общност и развитието на науката и технологиите. Но в контекста на статията ни интересува серията машини, които се разработваха в лабораторията на Буш от средата на 1920-те години, предназначени за решаване на проблема с математическите изчисления.

MIT, който наскоро се премести от централния Бостън на брега на река Чарлз в Кеймбридж, беше тясно свързан с нуждите на индустрията. Самият Буш, освен че беше професор, имаше финансови интереси в няколко предприятия в сферата на електрониката. Така че не трябва да се учудвате, че проблемът, който накара Буш и неговите студенти да работят над новото изчислително устройство, произлезе от енергийната индустрия: необходимо беше да се моделира поведението на магистралните електропроводи при пикови натоварвания. Очевидно е, че това беше едно от многото възможни приложения на изчислителните машини: досадните математически изчисления се извършваха навсякъде.

Буш и неговите колеги първо построиха две машини, наречени продукционни интеграфи (product integraphs). Но най-известната и успешна машина на MIT стана друга — диференциален анализатор, завършена през 1931 г. Тя решаваше проблеми с предаването на електрическа енергия, изчисляваше орбитите на електроните, траекториите на космическото лъчение в магнитното поле на Земята и много други. Изследователи от цял свят, на които бяха необходими изчислителни мощности, през 1930-те години създадоха десетки копия и варианти на диференциалния анализатор. Някои — дори от Meccano (английски аналог на американските детски конструктори марка Erector Set).

Диференциалният анализатор е аналогов компютър. Математическите функции са се изчислявали с помощта на въртящи се метални прътове, скоростта на въртене на всеки от които отразяваше количествена стойност. Двигателят задвижвал независим прът - променлива (обикновено той представлява време), който от своя страна чрез механични връзки завърташе други пръти (различни диференциални променливи), и на базата на входната скорост на въртене се изчисляваше функция. Резултатите от изчисленията се рисуваха на хартия под формата на криви. Най-важните компоненти бяха интеграторите - колела, завъртящи се дискове. Интеграторите можеха да изчисляват интеграла на кривата без досадни ръчни изчисления.

Диференциален анализатор. Интегрален модул - с вдигната капачка, от страната на прозореца са разположени маси с резултати от изчисленията, а в средата - комплекс от изчислителни прътове.

Никой от компонентите на анализатора не съдържаше дискретни превключващи релета или каквито и да било цифрови превключватели. Така че защо разказваме за това устройство? Отговорът дава четвърта машина от семейството.

В началото на 30-те години Буш започва да ухажва Фондация Рокфелер, за да получи финансиране за по-нататъшното развитие на анализатора. Уорън Уивър (Warren Weaver), ръководителят на отдела за естествени науки на фонда, първоначално не успя да бъде убеден. Инженерството не влиza в неговата компетенция. Въпреки това, Буш рекламира безграничния потенциал на новата си машина относно научните приложения - особено в математическата биология, любимия проект на Уивър. Също така, Буш обеща многобройни подобрения на анализатора, включително „възможността бързо да превключва анализатора от един проблем на друг, като телефонен комутатор“. През 1936 г. усилията му бяха възнаградени с грант от 85 хиляди долара, отпуснат за създаването на ново устройство, което по-късно беше наречено диференциалният анализатор на Рокфелер.

Като практичен изчислител този анализатор не беше изключителен пробив. Буш, който стана вицепрезидент на MIT и декан на инженерния факултет, не успя да отдели много време за ръководене на разработката. Всъщност той скоро се оттегли, зае се с длъжността председател на Института Карнеги във Вашингтон. Буш усещаше приближаващата война и имаше няколко научни и производствени идеи, които можеха да послужат на нуждите на въоръжените сили. Тоест, той искаше да бъде по-близо до центъра на властта, където можеше по-ефективно да влияе на решенията по различни въпроси.

В същото време техническите проблеми, обусловени от новата конструкция, бяха решавани от служителите на лабораторията, и скоро те започнаха да бъдат отклонявани за работа по военни задачи. Машината на Рокфелер беше завършена едва през 1942 г. Военните я сметнаха за полезна за серийното производство на балистични таблици за артилерията. Но скоро това устройство беше надминато от чисто цифрови компютри — които представяха числата не като физически величини, а абстрактно, чрез позиции на превключватели. Стана така, че в самия анализатор на Рокфелер беше използвано доста много подобни превключватели, състоящи се от релейни схеми.

Шеннон

През 1936 г. Клод Шеннон беше едва 20 години, но вече завърши Мичиганския университет със степен бакалавър по две специалности: електротехника и математика. В MIT го доведе рекламна листовка, прикрепена към таблото за обяви. Вэнивар Буш търсеше нов асистент за работа по диференциалния анализатор. Шеннон без колебание подаде заявление и скоро започна работа по новите проблеми, и само след това новото устройство започна да придобива форма.

Шеннон съвсем не приличаше на Буш. Той не беше нито бизнесмен, нито строител на академични империи, нито администратор. През целия си живот той се наслаждаваше на игри, пъзели и развлечения: шах, жонглиране, лабиринти, криптограми. Както много мъже от неговото време, по време на войната Шеннон се посвети на сериозна работа: заемаше длъжност в Bell Labs по правителствен договор, което го защити от военно повикване. Неговите изследвания по управление на стрелба и криптография през този период доведоха до основополагаващата работа по теория на информацията (няма да я обсъждаме тук). През 50-те години, когато войната и нейните последствия утихнаха, Шеннон се върна към преподаването в MIT, прекарвайки свободното си време в развлечения: калкулатор, който работеше единствено с римски цифри; машина, която при включване изкарваше механична ръка и изключваше устройството.

Структурата на Рокфелеровата машина, с която се сблъска Шеннон, логически остана същата, каквато беше при анализатора от 1931 година, но беше изградена от съвсем различни физически компоненти. Буш разбираше, че пръчките и механичните предавки в старите машини намаляваха ефективността от тяхната употреба: за извършване на изчисления беше необходимо да се настройва машината, за което отнемаше много човеко-часове работа на квалифицирани механици.

Новият анализатор нямаше този недостатък. В основата на конструкцията му не беше маса с пръчки, а координатен комутатор - лишен прототип, дарен от Bell Labs. Вместо да предава мощност от централния вал, всеки интегрален модул се задвижваше независимо от електродвигател. За настройка на машината да реши нова задача беше достатъчно просто да се конфигурира реле в координатната матрица, за да свърже интеграторите в нужната последователност. Четецът на перфоленти (взет от друго телекомуникационно устройство, рулонен телетип) прочиташе конфигурацията на машината, а релейната схема преобразуваше сигнала от лентата в управляващи сигнали за матрицата - това приличаше на осъществяване на серия телефонни обаждания между интеграторите.

Новият компютър не само че беше много по-бърз и по-лесен за настройка, но също така работеше по-бързо и по-точно от предшественика си. Той можеше да решава по-сложни задачи. Днес този компютър би могъл да се счита за примитивен, дори ексцентричен, но тогава той изглеждаше за наблюдателите като велик — или, може би, ужасен — работещ разум:

По същество, това е математически робот. Автомат, задвижван от електричество, създаден не само за да свали бремето на трудните изчисления и анализи от човешкия мозък, но и за да се заеме с математически задачи, които не могат да бъдат решени умствено, и да ги реши.

Шенън се фокусира на преобразуването на данни от хартия в инструкции за „мозъка“, като за тази операция отговаряше релейната схема. Той обърна внимание на съответствието между структурата на схемата и математическите структури на булевата алгебра, която изучаваше в последната година в Мичиган. Това е алгебра, чийто операнди са ИСТИНА и ЛОЖЬ, а операторите — И, ИЛИ, НЕ и т.н. Алгебра, която съответства на логическите твърдения.

Прекарвайки лятото на 1937 година в Bell Labs на Манхетън (перфектно място за размисли относно релейните схеми), Шенън написва магистърска дисертация под заглавие „Символичен анализ на релейни и комутационни схеми“ (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Наред с работата на Алан Тюринг, създадена година по-рано, дисертацията на Шенън наложи основите на науката за изчислителни машини.

През 40-те и 50-те години Шенън изгражда няколко изчислителни/логически машини: калкулатор с римска нумерация THROBAC, машина за шахматни ендшпили, както и Theseus — лабиринт, в който пътува електромеханична мишка (на снимката)

Шенън установява, че системата от уравнения на пропозиционалната логика може да бъде директно механически преобразувана в физическа схема на релейни превключватели. Той заключава: „Всъщност всяка операция, която може да бъде описана с окончателно количество стъпки, използвайки думи АКО, И, ИЛИ и т.н., може автоматично да се извърши с помощта на релета“. Например, две управлявани реле, свързани последователно, формират логическо И: токът ще протича по главния проводник само когато и двата електромагнита са активирани за затваряне на превключвателите. В същото време две реле, свързани паралелно, образуват ИЛИ: токът тече по главната схема, активиран от един от електромагнитите. Изходните данни на тази логическа схема могат, от своя страна, да управляват електромагнитите на други релета, за да получат по-сложни логически операции като (А И Б) или (В И Г).

Шенън завърши дисертацията си с приложение с няколко примера на схеми, създадени по неговия метод. Тъй като операциите на булевата алгебра са много сходни с аритметичните операции в двоичната система (т.е. с използване на двоични числа), той показа как може да се сглоби от релета „електрически сумиращ с двоична система“ — ние го наричаме двоичен суматор. Няколко месеца по-късно един от учените в Bell Labs направи такъв суматор на кухненската маса.

Штибиц

Джордж Штибиц (George Stibitz), изследовател от математическия отдел на Bell Labs в Манхатън, един тъмен ноемврийски вечер през 1937 година донесе у дома странен набор от оборудване. Сухи акумулаторни клетки, две малки лампички за апаратни щитове и няколко плоски релета Type U, намерени в кофата за отпадъци. Добавяйки няколко проводника и малко боклук, той сглобява устройство, което може да събира две еднозначни двоични числа (представени чрез наличието или отсъствието на входно напрежение) и да извежда двуцифрено число с помощта на лампички: единица — включено, нула — изключено.

Двоичен суматор на Штибиц

Штибиц, физик по образование, беше помолен да оцени физическите свойства на релейните магнити. По-рано той изобщо нямаше опит с релета и затова започна с изучаване на тяхното използване в телефонните схеми на Bell. Скоро Джордж забеляза сходството между някои схеми и аритметичните операции с двоични числа. Заинтригуван, той сглобява на кухненската маса своя страничен проект.

Първоначално хобито на Штибиц с релета не предизвикваше особено интерес от ръководството на Bell Labs. Но през 1938 г. ръководителят на изследователската група попита Джордж дали неговите калкулатори могат да се използват за аритметични операции с комплексни числа (например, a + bi, където i — корен квадратен на отрицателно число). Оказа се, че няколко изчислителни отдела в Bell Labs вече мърмореха относно постоянната необходимост да умножават и делят такива числа. Умножението на едно комплексно число изискваше четири аритметични операции на настолния калкулатор, а делението — 16 операции. Штибиц каза, че може да реши проблема и разработи схема на машина за такива изчисления.

Окончателната конструкция, която реализира телефонният инженер Съмюъл Уилямс (Samuel Williams), беше наречена Комплексен Числен Компютър — или просто Комплексен Компютър — и излезе в експлоатация през 1940 г. За изчисленията се използваха 450 релета, а междинните резултати се съхраняваха в десет координатни превключвателя. Данните се въвеждаха и получаваха с помощта на рулонен телетайп. В отделите на Bell Labs бяха инсталирани три такива телетайпа, което говори за големите нужди от изчислителна мощност. Релета, матрица, телетайпи — във всяко отношение това беше продукт на системата Bell.

Звездният час на Комплексния Компютър удари на 11 септември 1940 г. Штибиц представи доклад за компютъра на среща на Американското математическо общество в Дартмутския колеж. Той уреди там да бъде инсталиран телетайп с телеграфна връзка към Комплексния Компютър на Манхатън, на 400 километра разстояние. Интересуващите се можеха да се приближили до телетайпа, да въведат на клавиатурата условията на задачата и да видят как след по-малко от минута телетайпът магически печата резултата. Сред тези, които опитаха нововъведението, бяха Джон Моучли (John Mauchly) и Джон фон Нейман (John von Neumann), всеки от които играе важна роля в продължението на нашата история.

Участниците в срещата видяха кратък проблясък на бъдещия свят. По-късно компютрите станаха толкова скъпи, че администраторите вече не можеха да си позволят да стоят без работа, докато потребителят кани брадичката си пред конзолата, размишлявайки върху следващото, което да въведе. Следващите 20 години учените ще мислят как да създадат компютри за общо предназначение, които винаги ще очакват да въведете данни, дори когато работят по нещо друго. И след това ще минат още 20 години, преди този интерактивен режим на изчисления да стане обичайна практика.

Штибиц за интерактивния терминал в Дартмут през 60-те години. Дартмутският колеж беше пионер в сферата на интерактивните изчисления. Штибиц стана професор в колежа през 1964 година.

Интересно е, че, въпреки задачите, с които се е занимавал, Complex Computer по съвременни стандарти всъщност не е компютър. Той е можел да извършва аритметични операции с комплексни числа и вероятно да решава и други подобни задачи, но не и задачи от общо предназначение. Той не беше програмиран. Не можеше да извършва операции в произволен ред или повторно. Това беше калкулатор, способен да извършва определени изчисления много по-добре от предшествениците си.

С началото на Втората световна война, под ръководството на Штибица, в Bell беше създадена серия компютри с имена Model II, Model III и Model IV (Complex Computer съответно получи името Model I). Повечето от тях бяха изградени по искане на Националния изследователски комитет по въпросите на отбраната, който беше ръководен от Вэнивар Буш. Штибиц подобри схемата на машините от гледна точка на по-голяма универсалност на функциите и програмираност.

Например, Ballistic Calculator (по-късно — Model III) беше разработван за нуждите на системите за управление на зенитната стрелба. Той беше пуснат в експлоатация през 1944 година във Форт Блис, Тексас. Устройството съдържаше 1400 релета и можеше да изпълнява програма за математически операции, определяна от последователността на инструкциите на закръглена хартиена лента. Входните данни се подавали отделно, табличните данни – отделно. Това позволяваше бързо намиране на стойности, например, тригонометрични функции без реални изчисления. Инженерите от Bell разработиха специални търсещи схеми, които сканираха лентата напред/назад и търсеха адреса на необходимата таблична стойност независимо от изчисленията. Штибиц установи, че неговият компютър Model III, щракащ с релета ден и нощ, заменя 25—40 изчислителки.

Стойките с релета Bell Model III

Машина Model V вече не успя да служи във военни условия. Тя стана още по-универсална и мощна. Ако оценим количеството изчислители, които заменя, тя превишава Model III приблизително десетократно. Няколко изчислителни модула с 9 хиляди релета можеха да получават входни данни от няколко станции, където потребителите въвеждали условия на различни задачи. Всяка такава станция имаше един лентов четец за въвеждане на данни и пет за инструкции. Това позволяваше при изчисляване на задачата с основната лента да се извикват различни подпрограми. Главният управляващ модул (по същество аналог на операционната система) разпределяше инструкциите към изчислителните модули в зависимост от тяхната наличност, а програмите можеха да изпълняват условни преходи. Това вече не беше просто калкулатор.

Годината на чудесата: 1937

1947 година може да се счита за ключов момент в историята на изчислителните машини. Тази година Шенън и Щибиц забелязали прилика между релейните схеми и математическите функции. Тези заключения довели до създаването на цяла серия значими цифрови машини в Bell Labs. Това беше своеобразно екзаптация — или дори заместител, — когато скромното телефонно реле, без да променя физическата си форма, стана въплъщение на абстрактната математика и логика.

През същата година в януарския брой на изданието Proceedings of the London Mathematical Society излезе статия на британския математик Алан Тюринг „За изчислимите числа във връзка с проблема за разрешимост“ (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). В нея беше описана универсалната изчислителна машина: авторът твърдеше, че тя би могла да извършва действия, логически еквивалентни на действията на човешките изчислители. Тюринг, който през предходната година се записал в аспирантурата на Принстънския университет, също бил заинтересован от релейните схеми. И, както Буш, бил загрижен от нарастващата заплаха от война с Германия. Затова той се заел с паралелен криптографски проект — двоичен умножител, който можел да се използва за криптиране на военни съобщения. Тюринг го построил от релета, събрани в университета.

През 1937 г. Хауард Айкен (Howard Aiken) размишлявал за предполагаемата автоматизирана изчислителна машина. Докторант по електротехника в Харвард, Айкен изпълняваше значителна част от изчисленията с механичен калкулатор и печатни книги с математически таблици. Той предложи конструкция, която да освободи от тази рутина. За разлика от съществуващите изчислителни устройства, тя трябваше автоматично и циклично да обработва процесите, използвайки резултатите от предишните изчисления като входни данни за следващите.

Междувременно в Nippon Electric Company телекомуникационният инженер Акира Накашима (Akira Nakashima) още от 1935 г. изследваше връзките между релейните схеми и математиката. Накрая, през 1938 г. той самостоятелно доказа еквивалентността на релейните схеми на булевата алгебра, която Шенън открива година по-рано.

В Берлин Конрад Цузе (Konrad Zuse), бивш авиационен инженер, уморен от безкрайните изчисления, които бяха необходими на работата, търсеше средства за създаването на втора изчислителна машина. Той не успя да накара първото си механично устройство — V1, да работи надеждно, затова искаше да направи релейен компютър, който разработи в съавторство с приятеля си, телекомуникационния инженер Хелмут Шрейер (Helmut Schreyer).

Универсалността на телефонните релета, изводите за математическата логика, желанието на ярките умове да се освободят от уморителната работа — всичко това се преплете и доведе до възникването на концепцията за логическа машина от нов тип.

Забравено поколение

Плодовете от откритията и разработки от 1937 г. трябваше да узреят няколко години. Войната се оказа най-мощното торово средство, и с нейното идване релейните компютри започнаха да се появяват навсякъде, където имаше необходимата техническа експертиза. Математическата логика стана решетка за лозите на електротехниката. Появиха се нови форми на програмирани изчислителни машини — първоначалният скица на съвременните компютри.

В допълнение към машините Штибица, до 1944 г. САЩ можеха да се похвалят с устройството Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), резултат от предложението на Ейкен. Двойното име произлиза от влошените отношения между академичната среда и индустрията: всички предявяваха права на устройството. Mark I / ASCC използваше управляващи релейни схеми, но основният аритметичен модул беше построен по архитектурата на механичните калкулатори на IBM. Машината беше създадена за нуждите на бюрото по корабостроене на САЩ. Нейната наследница Mark II започва работа през 1948 г. на изпитателния полигон на ВМФ и всички нейни операции се основаваха изцяло на релета — на 13 хиляди релета.

Цузе по време на войната построи няколко релейни компютъра, все по-сложни. Кулминацията стана V4, който, подобно на Bell Model V, включваше инсталации за извикване на подпрограми и изпълняваше условни преходи. Поради недостиг на материали в Япония, нито една от разработките на Накашимата и неговите сънародници не беше реализирана в метал, докато страната не се възстанови след войната. През 1950-те години новосформираното министерство на външната търговия и индустрията финансира създаването на две релейни машини, втората от които беше чудовище с 20 хиляди релета. Компанията Fujitsu, участвала в създаването, разработи свои собствени търговски продукти.

Днес тези машини почти напълно са забравени. В паметта остава само едно име — ЕНИАК (ENIAC). Причината за забвението не се отнася до тяхната сложност, възможности или скорост. Изчислителните и логични свойства на релетата, открити от учени и изследователи, се отнасят до всеки вид устройства, които могат да действат като превключвател. И така се случи, че беше достъпно друго подобно устройство — електронен превключвател, който можеше да сработва стотици пъти по-бързо от релето.

Значението на Втората световна война в историята на компютрите вече трябва да е очевидно. Най-ужасната война даде тласък на развитието на електронни машини. Нейното начало освободило ресурсите, нужни за преодоляване на явните недостатъци на електронните превключватели. Господството на електромеханичните компютри се оказа краткотрайно. Подобно на титаните, те бяха свалени от собствените си деца. Както и релето, електронното превключване се появи в резултат на нуждите на телекомуникационната индустрия. А за да разберем откъде произлиза, трябва да върнем историята си до момента в зората на радиото.

Източник: habr.com