V naší se popisoval rozkvět automatických telefonních ústředen, které byly řízeny pomocí reléových schémat. Tentokrát chceme vyprávět o tom, jak vědci a inženýři vyvíjeli reléové schémata v první — dnes již zapomenuté — generaci digitálních počítačů.
Relé na vrcholu
Pokud si vzpomínáte, práce relé je založena na jednoduchém principu: elektromagnet ovládá kovový přepínač. Myšlenku relé v 30. letech 19. století nezávisle navrhlo několik přírodovědců a podnikatelů v oblasti telegrafického byznysu. Pak, ve středním 19. století, vynálezci a mechanici proměnili relé v spolehlivou a nezbytnou součást telegrafních sítí. Právě v této oblasti dosáhlo relé vrcholu: bylo miniaturizováno a generace inženýrů vytvořily nespočet konstrukcí, formálně se učících matematice a fyzice.
Na začátku 20. století nejen automatické přepojovací systémy, ale i prakticky veškeré zařízení telefonních sítí obsahovalo různé typy relé. Jedna z nejranějších aplikací v telefonní komunikaci pochází z 70. let 19. století, v ručních ústřednách. Když volající točil kličkou telefonu (kličku magneto), na telefonní stanici přicházel signál, který aktivoval relé. Relé ve funkci, které, když se aktivovalo, spustilo na přepojovacím stole telefonní operátorky kovovou závěrku, což značílo příchod hovoru. Tehdy operátorka vložila vidlici do zásuvky, relé se resetovalo a poté bylo možné opět zvednout závěrku, kterou v této poloze držel elektromagnet.
K roku 1924, jak psali dva inženýři společnosti Bell, typická ruční telefonní ústředna obsluhovala kolem 10 tisíc předplatitelů. V jejím zařízení bylo 40–65 tisíc relé, jejichž celková magnetická síla byla „dostatečná pro zvednutí 10 tun“. V těžkých telefonních stanicích s automatickými ústřednami se tyto charakteristiky zdvojnásobovaly. V celém telefonním systému v USA byly použity miliony relé a jejich počet se neustále zvyšoval s automatizací telefonních stanic. Jedno telefonní spojení mohlo být obsluhováno od jedné po několik set relé — v závislosti na počtu a vybavení zapojených telefonních stanic.
Fabriky společnosti Western Electric, výrobní struktury korporace Bell, vyráběly obrovské množství relé. Inženýři vytvořili tolik variant, že by tomuto rozmanitému sortimentu mohli závidět i ti nejzkušenější chovatelé psů nebo holubů. Rychlost a citlivost relé byly optimalizovány, rozměry zmenšovány. V roce 1921 vyrobila Western Electric téměř 5 milionů relé deseti základních typů. Nejběžnějším bylo univerzální relé typu E, ploché, prakticky obdélníkové zařízení, které vážilo několik desítek gramů. Většinou bylo vyrobeno z lisovaných kovových částí, což znamenalo, že bylo technologicky pokročilé. Kryt chránil kontakty před prachem a indukovanými proudy z blízkých zařízení: relé se obvykle montovala těsně vedle sebe v stojanech s stovkami a tisíci relé. Celkem bylo vyvinuto 3000 variant typu E, každá z nich se odlišovala konfiguracemi vinutí a kontaktů.
Brzy tato relé začala být používána v nejkomplexnějších spínačích.
Koordinátní spínač
V roce 1910 měla Gotthelf Betulander, inženýr Royal Telegrafverket - státní korporace, která kontrolovala většinu švédského telefonního trhu (po desetiletí téměř celý) - myšlenku. Věřil, že může výrazně zlepšit efektivitu operací Telegrafverket tím, že postaví automatické spínací systémy založené zcela na relé. Přesněji řečeno, na reléových maticích: mřížkách z ocelových tyčí připojených k telefonním linkám, s relé na místech, kde se tyče kříží. Takový spínač by měl pracovat rychleji, spolehlivěji a měl by být jednodušší na údržbu ve srovnání se systémy na bázi skluzných nebo rotačních kontaktů.
Nadto Betulander přišel s myšlenkou, že je možné vymezit části systému zodpovědné za výběr a spojení jako nezávislé reléové schémata. Zbývající část systému by měla být používána pouze pro zřízení hlasového kanálu a poté by měla být uvolněna pro obsluhu jiného hovoru. Jinými slovy, Betulander dospěl k myšlence, kterou později nazvali "společné řízení" (common control).
Schéma, která uchovává číslo příchozího volání, nazval "rekordér" (jiný termín je registr). A schéma, které v matici vyhledává a "označuje" dostupné připojení, nazval "marker". Autor si svou systém patentoval. Několik takových stanic se objevilo ve Stockholmu a Londýně. A v roce 1918 se Betulander dozvěděl o americké inovaci: koordinovaném spínači, který vytvořil inženýr Bell John Reynolds před pěti lety. Tento spínač byl velmi podobný Betulanderově vývoji, ale používal n + m relais pro obsluhu n + m uzlů matice, což bylo mnohem praktičtější pro další rozšíření telefonních stanic. Při navazování spojení držící lišta svírala "prsty" z klavírních strun, zatímco vybírající lišta se pohybovala po matici, aby se spojila s dalším voláním. Příští rok Betulander tuto myšlenku implementoval do konstrukce svého spínače.
Ale většina inženýrů považovala Betulanderovo dílo za podivné a příliš komplikované. Když přišlo na výběr spínacího systému pro automatizaci sítí největších švédských měst, Telegrafverket upřednostnilo konstrukci vyvinutou ve společnosti Ericsson. Betulanderovy spínače byly používány pouze na malých telefonních stanicích na venkově: relé byla spolehlivější než motorová automatika spínačů Ericsson a nevyžadovala údržbu techniků na každé stanici.
Nicméně američtí telefonní inženýři měli na tento účet jiný názor. V roce 1930 specialisté Bell Labs přijeli do Švédska a byli "velmi ohromeni parametry koordinovaného spínačového modulu". Po návratu Američané okamžitě začali pracovat na tom, co se později stalo známým jako "koordinovaný systém č. 1", který nahradil panelové spínače ve velkých městech. Do roku 1938 byly dvě takové systémy nainstalovány v New Yorku. Brzy se staly standardním vybavením pro městské telefonní stanice, dokud po více než 30 letech nebyly nahrazeny elektronickými spínači.
Nejzajímavějším komponentem souřadnicového spínače č. 1 byl nový, složitější marker vyvinutý ve společnosti Bell. Ten měl za cíl najít volnou trasu od volajícího k volanému prostřednictvím několika vzájemně propojených souřadnicových modulů, čímž bylo vytvořeno telefonní spojení. Marker měl také testovat každé spojení na stav „volno“/„obsazeno“. To vyžadovalo použití podmínkové logiky. Jak napsal historik Robert Chapuis:
Výběr je podmíněný, protože volné spojení je udržováno pouze v případě, že poskytuje přístup k souřadnicové liště, která má jako výstup volné spojení s dalším stupněm. Pokud více sad spojení splňuje požadované podmínky, potom „prioritní logika“ (preferential logic) vybírá jedno z [existujících] nejmenších spojení…
Souřadnicový spínač je vynikajícím příkladem vzájemného obohacení technologických myšlenek. Betulander vytvořil svůj zcela reléový spínač, poté jej vylepšil Reidově spínací maticí a dokázal funkčnost vzniklé konstrukce. Inženýři AT&T později přepracovali tento hybridní spínač, vylepšili jej a vytvořili souřadnicový systém č. 1. Tento systém se poté stal komponentem dvou raných počítačových strojů, z nichž jeden je nyní znám jako mezník v historii výpočetní techniky.
Matematické výpočty
Abychom pochopili, jak a proč relé a jejich elektronické protějšky pomohly způsobit revoluci v oblasti výpočetní techniky, budeme potřebovat krátký exkurz do světa matematických výpočtů. Po něm bude jasné, proč vznikl skrytý požadavek na optimalizaci výpočetních procesů.
Na začátku 20. století byla celá systém moderní vědy a inženýrství založena na práci tisíců lidí vykonávajících matematické výpočty. Ti byli nazýváni výpočtářemi (computers) [Aby se předešlo zmatkům, bude dále v textu používán termín výpočtáři. — Pozn. red.]. Ještě v 20. letech 19. století vytvořil Charles Babbage (i když jeho přístroj měl myšlenkové předchůdce). Jeho hlavním úkolem byla automatizace tvorby matematických tabulek, například pro navigaci (výpočet trigonometrických funkcí pomocí polynomiálních aproximací při 0 stupních, 0,01 stupních, 0,02 stupních atd.). Také byl velký zájem o matematické výpočty v astronomii: bylo třeba zpracovávat surové výsledky teleskopických pozorování v pevných oblastech nebeské sféry (a závislost na čase a datu pozorování) nebo určovat dráhy nových objektů (například Halleyovy komety).
Od dob Babbage se poptávka po výpočetních strojích mnohonásobně zvýšila. Energetickým společnostem bylo třeba porozumět chování hlavních systémů přenosu energie s mimořádně složitými dynamickými vlastnostmi. Děla z Bessemerovy oceli, schopná vystřelovat projektily za horizont (a tedy díky přímému pozorování cíle už nebyla zaměřena), vyžadovala stále přesnější balistické tabulky. Nové statistické nástroje, které zahrnovaly velký objem matematických výpočtů (například metoda nejmenších čtverců), se stále širším způsobem používaly jak v vědě, tak v rostoucím státním aparátu. Na univerzitách, vládních institucích a průmyslových korporacích vznikaly výpočetní oddělení, do kterých obvykle najímaly ženy.
Mechanické kalkulačky pouze usnadnily výpočty, nikoli je vyřešily. Kalkulačky urychlily aritmetické operace, ale jakékoli složité vědecké nebo inženýrské úkoly vyžadovaly stovky nebo tisíce operací, z nichž každou musel výpočtář (člověk) provést ručně, pečlivě zapisující všechny mezivýsledky.
Nové přístupy k problému matematických výpočtů byly podporovány několika faktory. Mladí vědci a inženýři, kteří v noci obtížně počítali své úkoly, chtěli ulevit svým rukám a očím. Vedoucí projektů byli nuceni vynakládat stále více peněz na platy mnoha výpočtářů, zejména po první světové válce. Nakonec se mnohé pokrokové vědecké a inženýrské úkoly stále obtížně poddávaly ručnímu výpočtu. Všechny tyto faktory vedly k vytváření řad výpočetních strojů, na kterých se pracovalo pod vedením Vannevara Bushe – elektrotechnika z Massachusettského technologického institutu (MIT).
Differenční analyzátor
Do této chvíle byla historie často bezosobní, ale nyní se budeme více bavit o konkrétních lidech. Sláva se vyhnula tvůrcům panelového switche, relé typu E a schématu souřadnicového ukazatele. O nich se nedochovaly ani biografické anekdoty. Jediné veřejně dostupné důkazy o jejich životě jsou zkamenělé pozůstatky strojů, které vytvořili.
Nyní můžeme získat hlubší pohled na lidi a jejich minulost. Ale už se nesetkáme s těmi, kdo usilovně pracovali na půdách a v dílnách ve svých domovech — Morsem a Weilem, Bellem a Watsonem. Na konci první světové války skončila éra hrdinských vynálezců. Thomase Edisona lze považovat za přechodnou postavu: na začátku své kariéry byl najatým vynálezcem a na jejím konci se stal majitelem „fabriky na vynálezy“. V té době se vývoj nejvýraznějších nových technologií stal výhradou organizací — univerzit, výzkumných oddělení korporací, vládních laboratoří. Lidé, o nichž budeme hovořit v této části, patřili právě k takovým organizacím.
Například Veniamin Bush. Na MIT přišel v roce 1919, kdy mu bylo 29 let. O něco více než 20 let poté se stal jednou z osob, které ovlivnily zapojení USA do druhé světové války, a pomohl zvýšit státní financování, což navždy změnilo vztahy mezi vládou, akademickou sférou a rozvojem vědy a technologií. V rámci tohoto článku nás však zajímá série strojů, které byly vyvinuty v Bushově laboratoři od poloviny 20. let a měly za cíl vyřešit problém matematických výpočtů.
MIT, který se nedávno přestěhoval z centrálního Bostonu na nábřeží řeky Charles v Cambridge, byl úzce spjat s potřebami průmyslu. Samotný Bush kromě profesorské činnosti měl finanční zájmy v několika firmách v oblasti elektroniky. Není tedy divu, že problém, který přivedl Bushe a jeho studenty k práci na novém výpočtovém zařízení, vznikl v energetickém průmyslu: bylo potřeba modelovat chování hlavních elektrických vedení za podmínek špičkových zátěží. Je zřejmé, že to byl jen jeden z mnoha možných uplatnění výpočtových strojů: úmorné matematické výpočty se prováděly všude.
Bush a jeho kolegové nejprve postavili dvě stroje, které byly nazvány produkčními integrafy (product integraphs). Ale nejznámějším a nejúspěšnějším strojem MIT se stal jiný — diferenciální analyzátor, dokončený v roce 1931. Řešil problémy s přenosem elektrické energie, vypočítával oběžné dráhy elektronů, trajektorie kosmického záření v magnetickém poli Země a mnoho dalšího. Výzkumníci po celém světě, kteří potřebovali výpočetní sílu, v 30. letech vytvořili desítky kopií a variant diferenciálního analyzátoru. Některé — dokonce z Meccano (anglického ekvivalentu amerických dětských stavebnic značky ).
Diferenční analyzátor je analogový počítač. Matematické funkce byly vypočítávány pomocí otočných kovových tyčí, jejichž rychlost otáčení odrážela určitou kvantitativní hodnotu. Motor poháněl nezávislou tyč — proměnnou (obvykle představující čas), která pak prostřednictvím mechanických spojení otáčela dalšími tyčemi (různé diferenční proměnné), a na základě vstupní rychlosti otáčení byla vypočtena funkce. Výsledky výpočtů byly znázorněny na papíře v podobě křivek. Nejvýznamnějšími komponenty byly integrátory — kola otáčející se diskem. Integrátory mohly vypočítat integrál křivky bez únavných ručních výpočtů.
Diferenční analyzátor. Integrální modul — se zvednutým víkem, ze strany okna jsou stoly s výsledky výpočtů a uprostřed je komplex výpočetních tyčí.
Žádná z komponent analyzátoru neobsahovala diskrétní přepínací relé nebo nějaké digitální spínače. Tak proč o této pomůcce vyprávíme? Odpověď dává čtvrtá stroj rodiny.
Na počátku 30. let začal Bush obhajovat Fond Rockefeller, aby získal financování pro další vývoj analyzátoru. Wahren Weaver, šéf oddělení přírodních věd fondu, ho zpočátku přesvědčit nedokázal. Inženýrství nespadalo do jeho kompetence. Avšak Bush vyzdvihoval bezbřehý potenciál svého nového stroje pro vědecké aplikace — zejména v matematické biologii, oblíbeném projektu Weaver. Také Bush slíbil četná vylepšení analyzátoru, včetně „možnosti rychle přepínat analyzátor z jednoho problému na druhý, jako telefonní spínač“. V roce 1936 byly jeho snahy odměněny grantem ve výši 85 tisíc dolarů, určeným na vytvoření nového zařízení, které bylo později nazváno diferenčním analyzátorem Rockefeller.
Jako praktický počítač nebyl tento analyzátor žádným významným průlomem. Bush, který se stal viceprezidentem MIT a děkanem inženýrské fakulty, neměl mnoho času na vedení vývoje. Fakticky se brzy stáhl, když se začal věnovat svým povinnostem předsedy Carnegieho institutu ve Washingtonu. Bush cítil blížící se válku a měl několik vědeckých a výrobních nápadů, které by mohly posloužit potřebám ozbrojených sil. Chtěl být tedy blíže k centru moci, kde by mohl efektivněji ovlivnit rozhodování v určitých otázkách.
Současně technické problémy, které byly vyvolány novou konstrukcí, řešili zaměstnanci laboratoře a brzy byli začali odvádět k práci na vojenských úkolech. Rockefellerův stroj byl dokončen až v roce 1942. Vojenské úřady jej považovaly za užitečný pro sériovou výrobu balistických tabulek pro dělostřelectvo. Ale brzy toto zařízení zastínily čistě digitální počítače — které představovaly čísla ne jako fyzikální veličiny, ale abstraktně, pomocí poloh přepínačů. Tak už to vypadalo, že v samotném Rockefellerově analyzátoru bylo použito poměrně mnoho podobných přepínačů, které byly složeny z reléových schémat.
Shannon
V roce 1936 bylo Claude Shannonovi pouhých 20 let, ale už dokončil Michiganskou univerzitu se dvěma bakalářskými tituly: v elektrotechnice a matematice. Do MIT ho přivedl leták připevněný na nástěnce. Vannevar Bush hledal nového asistenta pro práci na diferenciálním analyzátoru. Shannon se bez váhání přihlásil a brzy začal pracovat na nových problémech, a teprve potom se nové zařízení začalo formovat.
Shannon se vůbec nepodobal Bushovi. Nebyl ani podnikatelem, ani stavitelem akademické říše, ani administrátorem. Po celý svůj život měl rád hry, hádanky a zábavu: šachy, žonglování, bludiště, kryptogramy. Jako mnozí muži jeho doby se během války Shannon věnoval vážné práci: na Bell Labs zastával místo na vládní zakázce, což chránilo jeho křehké tělo před odvodem. Jeho výzkumy na poli řízení palby a kryptografie v té době vedly k vytvoření základního díla o teorii informace (k tomu se nebudeme zabývat). V padesátých letech, když válka a její následky utichly, se Shannon vrátil k učení na MIT, trávíce volný čas zábavou: kalkulačka fungující výhradně s římskými číslicemi; stroj, při jehož zapnutí se z něj objevila mechanická ruka a odpojila stroj.
Struktura Rockefellerova stroje, se kterým se Shannon setkal, logicky zůstala stejná jako u analyzátoru z roku 1931, ale byla postavena z úplně jiných fyzických komponent. Bush pochopil, že tyče a mechanické převody ve starých strojích snižovaly efektivitu jejich využití: k provedení výpočtů bylo nutné stroj nastavit, což zabralo mnoho pracovních hodin kvalifikovaných mechaniků.
Nový analyzátor se tohoto nedostatku zbavil. Jeho konstrukce už nebyla stůl s tyčemi, ale souřadnicový komutátor — přebytečný prototyp darovaný Bell Labs. Místo přenosu výkonu z centrálního hřídele byl každý integrální modul nezávisle poháněn elektromotorem. Pro nastavení stroje na řešení nového úkolu stačilo jednoduše nakonfigurovat relé v souřadnicové matici, aby spojilo integrátory v požadovaném pořadí. Čtecí zařízení pro děrované pásky (půjčené z jiného telekomunikačního zařízení, rolového telegrafu) četlo konfiguraci stroje a reléová schéma převáděla signál z pásky na řídicí signály pro matici — to připomínalo zřízení série telefonních hovorů mezi integrátory.
Nový počítač nebyl jen rychlejší a jednodušší na nastavení, ale také fungoval rychleji a přesněji než jeho předchůdce. Dokázal řešit složitější úlohy. Dnes bychom tento počítač mohli považovat za primitivní, ba dokonce extravagantní, ale tehdy se jeho pozorovatelům zdál jako něco velkolepého — nebo možná hrozivého — pracujícího rozumu:
V podstatě je to matematický robot. Elektricky poháněný automat, který nebyl vytvořen jen proto, aby ulevil lidskému mozku od těžkých počtů a analýz, ale také aby se mohl vrhnout na matematické úkoly, které nemohou být vyřešeny lidským myšlením, a vyřešit je.
Shannon se zaměřil na převod dat z papírové pásky na instrukce pro "mozek", a tuto operaci řídila reléová schéma. Všiml si souvislosti mezi strukturou schématu a matematickými strukturami Booleovy algebry, kterou studoval v maturitním ročníku na Michiganské univerzitě. Tato algebra měla jako operandy PRAVDA a NEPRAVDA, a operátory — A, NEBO, NE atd. Algebra, která odpovídala logickým tvrzením.
Strávil léto 1937 prací v Bell Labs na Manhattaně (ideálním místě pro přemýšlení o reléových schématech), Shannon napsal magisterskou práci s názvem "Symbolická analýza reléových a komutačních schémat" (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Společně s prací Alana Turinga, kterou napsal rok předtím, Shannonova disertace položila základ vědy o výpočetních strojích.
V letech 1940-1950 Shannon postavil několik výpočetních/logických strojů: kalkulačku s římskými číslicemi THROBAC, stroj pro šachové koncovky a také Theseus — labyrint, kterým se pohybovala elektromekanická myš (na fotografii)
Shannon zjistil, že systém rovnic propozicionální logiky může být přímo mechanicky převeden do fyzického schématu reléových spínačů. Uvedl: „Ve skutečnosti jakoukoliv operaci, kterou lze popsat konečným množstvím kroků za použití slov PokUD, A, NEBO atd., lze automaticky provést pomocí relé.“ Například dvě ovládaná relé spínače, propojená sériově, vytvářejí logické A: proud to flow through the main wire only when both electromagnets are activated to close the switches. At the same time, two relays connected in parallel form NEBO: current flows through the main circuit, activated by one of the electromagnets. The outputs of such a logical circuit can, in turn, control the electromagnets of other relays to achieve more complex logical operations like (A A B) or (V A G).
Shannon completed his dissertation with an appendix containing several examples of circuits created using his method. Since operations of Boolean algebra closely resemble arithmetic operations in the binary system (i.e., using binary numbers), he demonstrated how relays could be assembled into an 'electrical adder in the binary system' — we call this a binary adder. A few months later, one of the researchers at Bell Labs built such an adder on a kitchen table.
Stibitz
George Stibitz, a researcher from the mathematics department at Bell Labs headquarters in Manhattan, brought home a strange set of equipment on a dark November evening in 1937. Dry battery cells, two small bulbs for hardware panels, and a couple of flat Type U relays found in a trash bin. By adding a few wires and some junk, he assembled a device that could add two single-digit binary numbers (represented by the presence or absence of input voltage) and output a two-digit number using the bulbs: one — on, zero — off.
Stibitz's Binary Adder
Stibitz, a physicist by education, was asked to assess the physical properties of relay magnets. He previously had no experience with relays and therefore started by studying their use in Bell's telephone circuits. Soon, George noticed similarities between some circuits and arithmetic operations with binary numbers. Intrigued, he assembled his side project on the kitchen table.
At first, Stibitz's tinkering with relays garnered little interest from the Bell Labs management. But in 1938, the head of the research group asked George if his calculators could be used for arithmetic operations with complex numbers (for example, a + bi, kde i — druhá odmocnina záporného čísla). Ukázalo se, že několik výpočetních oddělení v Bell Labs již zoufalo, protože musela neustále násobit a dělit taková čísla. Násobení jednoho komplexního čísla vyžadovalo čtyři aritmetické operace na stolním kalkulátoru, dělení — 16 operací. Štíbič řekl, že může problém vyřešit a navrhl schéma stroje pro takové výpočty.
Konečná konstrukce, kterou zhmotnil telefonní inženýr Samuel Williams, byla nazvána Complex Number Computer – nebo zkráceně Complex Computer – a byla uvedena do provozu v roce 1940. Pro výpočty bylo použito 450 relé, mezivýsledky byly uloženy v deseti koordinačních přepínačích. Data byla zadávána a přijímána pomocí rolového teletypového přístroje. Na odděleních Bell Labs byly nainstalovány tři takové teletypy, což svědčí o velkých potřebách výpočetních výkonů. Relé, matice, teletypy – to byl ve všech ohledech produkt systému Bell.
Slavný okamžik Complex Computer nastal 11. září 1940. Štíbič představil zprávu o počítači na setkání Americké matematické společnosti na Dartmouth College. Domluvil se, že tam bude nainstalován teletyp s telegrafickým připojením k Complex Computer v Manhattanu, vzdáleném 400 kilometrů. Ti, kteří chtěli, se mohli přiblížit k teletypu, zadat na klávesnici podmínky úlohy a vidět, jak za méně než minutu teletyp kouzelně tiskne výsledek. Mezi těmi, kdo vyzkoušeli novinku, byli John Mauchly a John von Neumann, z nichž každý hrál důležitou roli v dalším průběhu našeho příběhu.
Účastníci setkání viděli krátký záblesk budoucího světa. Později se počítače staly tak drahými, že administrátoři si již nemohli dovolit, aby stály nečinně, zatímco uživatel přemýšlel před ovládacím panelem, co zadat dál. V příštích 20 letech se vědci budou snažit navrhnout počítače pro všeobecné použití, které budou neustále očekávat, že do nich zadáte data, i když na něčem jiném pracují. A pak ještě dalších 20 let uplyne, než se tento interaktivní mód výpočtů stane samozřejmostí.
Štibitz na dartmouthském interaktivním terminálu v 60. letech. Dartmouth College byl průkopníkem v oblasti interaktivního výpočtu. Štibitz se stal profesorem na koleji v roce 1964.
Je překvapivé, že i přes úkoly, které řešil, Complex Computer podle dnešních měřítek — vlastně není počítač. Mohl vykonávat aritmetické operace s komplexními čísly a pravděpodobně řešit i další podobné úkoly, ale ne úkoly obecného určení. Nebyl programovatelný. Nemohl vykonávat operace v libovolném pořadí nebo je opakovat. Byl to kalkulátor, schopný provádět určité výpočty mnohem lépe než jeho předchůdci.
Se začátkem druhé světové války byla v Bellu pod vedením Štibitze vytvořena série počítačů s názvy Model II, Model III a Model IV (Complex Computer získal název Model I). Většina z nich byla postavena na zakázku pro Národní výzkumný výbor pro obranu, který vedl nikdo jiný než Vannevar Bush. Štibitz vylepšil schéma strojů z hlediska větší univerzálnosti funkcí a programovatelnosti.
Například Ballistic Calculator (později — Model III) byl vyvíjen pro potřeby systémů řízení protiletecké střelby. Byl uveden do provozu v roce 1944 ve Fort Bliss, Texas. Zařízení obsahovalo 1400 relé a mohlo vykonávat program matematických operací určený sekvencí pokynů na zakružované papírové pásce. Samostatně byla dodávána páska s vstupními daty a samostatně tabulková data. To umožnilo rychle nalézt hodnoty, například trigonometrických funkcí, bez skutečných výpočtů. Inženýři Bell vyvinuli speciální vyhledávací obvody (hunting circuits), které skenovaly pásku vpřed/zpět a hledaly adresu požadované tabulkové hodnoty nezávisle na výpočtech. Štibitz zjistil, že jeho počítač Model III, který dennodenně cvakal relé, nahrazoval 25—40 počítaček.
Stojany s relé Bell Model III
Stroj Model V již neměl šanci sloužit v armádě. Stal se ještě univerzálnějším a výkonnějším. Pokud bychom posuzovali podle počtu nahrazovaných výpočetních strojů, desetkrát převyšoval Model III. Několik výpočetních modulů s 9 tisíci relé mohlo přijímat vstupní data z několika stanic, kde uživatelé zadávali podmínky různých úloh. Každá taková stanice měla jeden pásek pro vstup dat a pět pro instrukce. To umožnilo při výpočtu úlohy na hlavním páse volat různé podprogramy. Hlavní řídící modul (v podstatě ekvivalent operačního systému) distribuoval instrukce mezi výpočetní moduly podle jejich dostupnosti a programy mohly vykonávat podmíněné skoky. Už to nebyl jen kalkulátor.
Rok zázraků: 1937
Rok 1937 lze považovat za přelomový moment v historii výpočetních strojů. V tento rok si Shannon a Schtibitz povšimli podobnosti mezi reléovými schématy a matematickými funkcemi. Tyto závěry vedly Bell Labs k vytvoření celé série důležitých digitálních strojů. Byla to jakási — nebo dokonce substituce, — kdy skromné telefonní relé, aniž by se změnilo fyzické formy, se stalo ztělesněním abstraktní matematiky a logiky.
Ve stejném roce v lednovém čísle publikace Proceedings of the London Mathematical Society vyšel článek britského matematika Alana Turinga „O výpočetních číslech aplikovaných na „ (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). V něm byla popsána univerzální výpočetní mašina: autor tvrdil, že by mohla vykonávat činnosti, které jsou logicky ekvivalentní činnostem lidských výpočtářů. Turing, který se v předchozím roce dostal do postgraduálního studia na Princeton University, byl také fascinován reléovými schématy. A stejně jako Bush byl znepokojen rostoucí hrozbou války s Německem. Proto se pustil do externího kryptografického projektu — binárního násobitele, který mohl být použit k šifrování vojenských zpráv. Turing ho postavil z relé, která byla vybrána v univerzitní mechanické dílně.
V tomtéž roce 1937 přemýšlel Howard Aiken o zamýšleném automatickém výpočetním stroji. Harvardský postgraduální student elektroinženýrství Aiken prováděl značnou část výpočtů pouze s mechanickým kalkulátorem a tištěnými knihami s matematickými tabulkami. Navrhl konstrukci, která by eliminovala tuto rutinu. Na rozdíl od existujících výpočetních zařízení by měla automaticky a cyklicky zpracovávat procesy pomocí výsledků předchozích výpočtů jako vstupních dat pro ty následující.
Mezitím v Nippon Electric Company telekomunikační inženýr Akira Nakashima od roku 1935 zkoumal vztahy mezi reléovými obvody a matematikou. Nakonec v roce 1938 samostatně dokázal ekvivalentnost reléových obvodů a Booleovy algebry, kterou Shannon objevil o rok dříve.
V Berlíně Konrad Zuse, bývalý letecký inženýr, unavený z nekonečných výpočtů potřebných v práci, hledal financování na vytvoření druhého výpočetního stroje. Nepodařilo se mu spolehlivě rozběhnout své první mechanické zařízení – V1, a proto chtěl vytvořit reléový počítač, který vyvinul ve spolupráci se svým přítelem, telekomunikačním inženýrem Helmudem Schreyerem.
Univerzálnost telefonních relé, závěry o matematické logice, touha jasných myslí zbavit se monotónní práce – to všechno se propojilo a vedlo k vzniku představy o logickém stroji nového typu.
Zapomenutá generace
Plody objevů a vývoje z roku 1937 musely několik let dozrávat. Válka se ukázala jako nejúčinnější hnojivo a s jejím příchodem začaly reléové počítače vznikat všude tam, kde existovala potřebná technická expertiza. Matematická logika se stala mřížkou pro linii elektrotechniky. Vznikly nové formy programovatelných výpočetních strojů – první nákresy moderních počítačů.
Kromě strojů Štibice mohly USA do roku 1944 pyšnit zařízeními Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), což bylo výsledkem návrhu Eikena. Dvojí název vznikl kvůli zhoršujícím se vztahům mezi akademickou sférou a průmyslem: každý na zařízení uplatňoval nároky. Mark I / ASCC používal ovládací reléové obvody, ale hlavní aritmetický modul byl postaven podle architektury mechanických kalkulaček IBM. Stroj byl vytvořen pro potřeby amerického námořního oddělení. Jeho nástupce Mark II začal pracovat v roce 1948 na zkušebním poli námořnictva a všechny jeho operace byly výhradně založeny na relé – na 13 tisících relé.
Cruz během války postavil několik reléových počítačů, čím dál složitějších. Vyvrcholením byl V4, který, stejně jako Bell Model V, zahrnoval instalace pro volání podprogramů a prováděl podmínkové skoky. Kvůli nedostatku materiálů v Japonsku nebyla žádná z návrhů Nakashimy a jeho krajany zrealizována, dokud se země po válce neobnovila. V 50. letech znovu vytvořené ministerstvo zahraničního obchodu a průmyslu financovalo vytvoření dvou reléových strojů, přičemž druhý byl monstrem se 20 tisíci relé. Společnost Fujitsu, která se podílela na vývoji, vyvinula své vlastní komerční produkty.
Dnes jsou tyto stroje téměř úplně zapomenuty. V paměti zůstalo pouze jedno jméno – ENIAC. Důvod zapomnění nesouvisí s jejich složitostí, ani schopnostmi, či rychlostí. Výpočetní a logické vlastnosti relé, které objevili vědci a výzkumníci, se vztahují na jakýkoli typ zařízení, které může fungovat jako spínač. A tak se stalo, že bylo dostupné jiné podobné zařízení – elektronický spínač, který se mohl aktivovat stovkykrát rychleji než relé.
Význam druhé světové války v historii života výpočetních strojů by měl být již zřejmý. Nejhorší válka se stala impulsem pro rozvoj elektronických strojů. Její začátek uvolnil zdroje potřebné k překonání zřejmých nedostatků elektronických spínačů. Dominance elektromekanických počítačů byla krátkodobá. Podobně jako titáni byly svržené svými potomky. Stejně jako relé, elektronické spínání vzniklo díky potřebám telekomunikačního průmyslu. Abychom zjistili, odkud pochází, musíme se vrátit v naší historii až k okamžiku na počátku éry rádia.
Zdroj: habr.com
