Andre artikler i cyklen:
- Historien om relæet
- Historien om elektroniske computere
- Historien om transistoren
- Internettets historie
Som vi så i , opdagede radio- og telefoningeniører en ny teknologisk område, som hurtigt blev kaldt elektronik, i deres søgen efter mere kraftfulde forstærkere. En elektronisk forstærker kunne nemt omdannes til en digital switch, der fungerede med meget højere hastigheder end dens elektromechaniske slægtning – telefonrelæet. Uden mekaniske dele kunne elektronrøret tændes og slukkes på mikrosekunder eller hurtigere, kontra de titusindede millisekunder eller mere, der var nødvendige for relæet.
Fra 1939 til 1945 blev der bygget tre computere baseret på disse nye elektroniske komponenter. Datoerne for deres konstruktion falder ikke tilfældigt sammen med perioden under Anden Verdenskrig. Denne konflikt – uden sidestykke i historien, hvad angår dens evne til at trække folk ind i krigens lænker – ændrede for altid forholdet mellem stater, samt mellem videnskab og teknologi, og bragte mange nye apparater til verden.
Historierne om de tre første elektroniske computere er sammenflettet med krigen. Den første blev dedikeret til dekryptering af tyske beskeder og forblev hemmelig indtil 1970'erne, da den ikke længere havde nogen interesse, bortset fra den historiske. Den anden, som de fleste læsere sikkert har hørt om, var ENIAC, en militær computer, som blev færdiggjort for sent til at hjælpe i krigen. Men her vil vi se nærmere på den tidligste af disse tre maskiner, skabt af .
Atanasoff
I 1930 opnåede Atanasoff, der blev født i Amerika som søn af en emigrant fra , endelig sin ungdomsdrøm om at blive teoretisk fysiker. Men ligesom med de fleste sådanne bestræbelser viste virkeligheden sig at være anderledes, end han havde håbet. Især, ligesom de fleste ingeniør- og fysikstuderende i første halvdel af det 20. århundrede, måtte Atanasoff lide under de smertefulde byrder af konstant beregning. Hans afhandling ved University of Wisconsin om polarisation af helium krævede otte ugers kedelige beregninger ved hjælp af en mekanisk bordregner.
John Atanasoff i ungdommen
I 1935 var Atanasov blevet professor ved Iowa State University og besluttede at gøre noget ved denne byrde. Han begyndte at overveje måder at bygge en ny, mere kraftfuld beregningsmaskine på. Efter at have afvist analoge metoder (som MITs differentialanalyser) på grund af begrænsninger og unøjagtigheder, besluttede han at bygge en digital maskine, der arbejdede med tal som diskrete værdier i stedet for som kontinuerlige målinger. Han var bekendt med det binære talsystem fra sin ungdom og forstod, at det passer bedre til strukturen af tænd/sluk digitale switch end de velkendte decimaltal. Derfor besluttede han at lave en binær maskine. Og endelig besluttede han, at for at den skulle være hurtig og fleksibel, skulle den være elektronisk og bruge vakuumrør til beregninger.
Atanasov måtte også bestemme sig for opgavens rum — til hvilke specifikke beregninger skulle hans computer kunne bruges? I sidste ende besluttede han, at han ville fokusere på at løse systemer af lineære ligninger og reducere dem til en enkelt variabel (ved hjælp af ) — de samme beregninger, der var fremtrædende i hans afhandling. Han ville understøtte op til tredive ligninger og op til tredive variable i hver. En sådan computer kunne løse opgaver, der var vigtige for forskere og ingeniører, og samtidig syntes den ikke at være uoverkommeligt kompleks.
Kunstværk
I midten af 1930'erne havde elektronisk teknologi nået en bemærkelsesværdig mangfoldighed i forhold til de tidlige begyndelser, der var dukket op 25 år tidligere. To udviklinger passede især godt til Atanasovs projekt: relæ-trigger og elektronisk tæller.
Siden det 19. århundrede har telegraf- og telefoningeniører haft en praktisk enhed kaldet en kontakt. En kontakt er et bistabilt relæ, der bruger permanente magneter til at holde det i den tilstand, du efterlod det i - åben eller lukket - indtil den modtager et elektrisk signal til at skifte tilstand. Men elektronrør kunne ikke gøre dette. De havde ikke nogen mekanisk komponent og kunne være "åbne" eller "lukkede", så længe elektricitet strømmede eller ikke strømmede gennem kredsløbet. I 1918 forbandt to britiske fysikere, William Eccles og Frank Jordan, to lamper med ledninger, så der opstod et "trigger-relæ" - et elektronisk relæ, der forbliver tændt efter at være blevet aktiveret af et startimpuls. Eccles og Jordan skabte deres system til telekommunikationsformål for det britiske admiralitet i slutningen af Første Verdenskrig. Men Eccles-Jordans kredsløb, der senere blev kendt som trigger [eng. flip-flop], kunne også ses som en enhed til at gemme et binært tal - 1, hvis signalet sendes, og 0 i det andet tilfælde. På denne måde kunne man gennem n trigger-enheder repræsentere et binært tal på n bit.
Om ti år efter triggeren kom der et andet betydeligt gennembrud inden for elektronik, der stødte sammen med beregningsverdenen: elektroniske tællere. Igen, som det ofte skete i den tidlige historie inden for beregning, blev kedsomhed moder til opfindelsen. Fysikere, der studerede stråling af subatomare partikler, havde enten mulighed for at lytte til klik eller bruge timer på at studere fotografiske optegnelser, og tælle antallet af opdagelser for at måle hastigheden af partikelstrålingen gennem forskellige materialer. Mekaniske eller elektromekaniske tællere præsenterede en fristende mulighed for at lette disse opgaver, men de bevægede sig for langsomt: de kunne ikke registrere mange hændelser, der fandt sted med millisekunders mellemrum.
En nøglefigur i løsningen af dette problem var , som arbejdede under Ernest Rutherford i Cavendish-laboratoriet i Cambridge. Wynn-Williams var dygtig med elektronik og havde allerede brugt lamper (eller ventiler, som de blev kaldt i Storbritannien) til at skabe forstærkere, der gjorde det muligt at høre hændelser med partiklerne. I begyndelsen af 1930'erne indså han, at ventiler kunne bruges til at skabe en tæller, som han kaldte 'binary scale counter' — altså en binær tæller. I bund og grund var det et sæt flip-flops, der kunne videregive skift op ad kæden (i praksis brugte han , typer af lamper, der ikke indeholdt vakuum, men gas, som kunne forblive i tændt tilstand efter fuld ionisering af gassen).
Wynn-Williams' tæller blev hurtigt et uundgåeligt laboratorieværktøj for alle, der arbejdede med partikelfysik. Fysikere byggede meget små tællere, som ofte indeholdt tre cifre (det vil sige, de kunne tælle op til syv). til en langsom mekanisk tæller og til at registrere hændelser, der skete hurtigere, end tælleren kunne registrere med sine langsomt bevægelige mekaniske dele.
Men i teorien kunne sådanne tællere udvides til tal af vilkårlig størrelse eller nøjagtighed. De var strengt taget de første digitale elektroniske regnemaskiner.
Atanasoff-Berry-computeren
Atanasoff var bekendt med denne historie, hvilket overbeviste ham om muligheden for at bygge en elektronisk computer. Men han brugte ikke direkte binære tællere eller flip-flops. Først forsøgte han at bruge lidt modificerede tællere som basis for tællesystemet — for hvad er addition ellers end en gentagen optælling? Men af en eller anden grund kunne han ikke gøre tællekredsløbene pålidelige nok, og han måtte udvikle sine egne kredsløb til addition og multiplikation. Han kunne ikke bruge flip-flops til midlertidig lagring af binære tal, da han havde et begrænset budget og et ambitiøst mål om at lagre tretti coefficienter samtidig. Som vi snart vil se, havde denne situation alvorlige konsekvenser.
I 1939 havde Atanasov færdiggjort designet af sin computer. Han havde nu brug for en person med de rette kompetencer til at bygge den. Han fandt denne person i formen af Klifford Berry, en kandidat fra ingeniørafdelingen ved Iowa State Institute. I slutningen af året havde Atanasov og Berry bygget en lille prototyp. Året efter afsluttede de den fulde version af computeren med tredive koefficienter. I 1960'erne kaldte en skribent, der udgrave deres historie, den Atanasoff-Berry Computer (ABC), og navnet blev vedtaget. Men ikke alle problemer kunne blive løst. Især havde ABC en fejlrate på cirka en binær cifre per 10.000, hvilket ville være fatalt for enhver større beregning.
Klifford Berry og ABC i 1942
Ikke desto mindre kan man finde rødderne og kilden til alle moderne computere i Atanasov og hans ABC. Skabte han ikke (med hjælp fra Berry) den første binære elektroniske digitale computer? Er det ikke disse grundlæggende karakteristika, der kendetegner milliarder af enheder, som former og styrer økonomien, samfundet og kulturen verden over?
Men lad os gå tilbage. Adjektiverne digitale og binære er ikke eksklusive for ABC. For eksempel var Bell Complex Number Computer (CNC), der blev udviklet omtrent på samme tid, en digital, binær, elektromekanisk computer, der kunne udføre beregninger på det komplekse plan. Både ABC og CNC var også ens i den forstand, at de løste opgaver inden for et begrænset område og ikke kunne, i modsætning til moderne computere, modtage vilkårlige sekvenser af instruktioner.
Resten er „elektronisk“. Men selvom de matematiske indre dele af ABC var elektroniske, arbejdede den ved elektromekaniske hastigheder. Da Atanasov og Berry af økonomiske årsager ikke kunne bruge elektronrør til at opbevare tusindvis af binære cifre, brugte de elektromekaniske komponenter til dette formål. Flere hundrede triode-rør, der udførte de grundlæggende matematiske beregninger, var indkapslet af roterende tromler og summende perforeringsmaskiner, hvor de mellemliggende værdier af alle beregningstrin blev opbevaret.
Atanasov og Berry udførte et heroisk stykke arbejde med at læse og skrive data på perforerede kort med en enorm hastighed, idet de brændte dem med elektricitet i stedet for at lave huller mekanisk. Men dette medførte sine problemer: det var netop apparatet til brænding, der var ansvarligt for 1 fejl pr. 10.000 tal. Desuden, selv med deres største bestræbelser, kunne maskinen ikke "bore" hurtigere end én linje pr. sekund, så ABC kunne kun udføre en beregning pr. sekund med hver af de tredive aritmetiske enheder. Den resterende tid sad de elektroniske rør uden at lave noget, utålmodigt "dandre med fingrene på bordet", mens al den mekanik langsomt drejede rundt om dem. Atanasov og Berry spændte en præstationshest fast til en hørev. (Projektlederen for rekreationen af ABC i 1990'erne vurderede den maksimale hastighed for maskinen, med alle tidsforbrug, inklusive operatørens arbejde til opgaveformuleringen, til fem additioner eller subtraktioner pr. sekund. Dette er selvfølgelig hurtigere end en menneskelig regner, men det er ikke den hastighed, vi forbinder med elektroniske computere.)
ABC-diagrammet. Tromlerne opbevarede midlertidig ind- og uddata på kondensatorer. Thyratron-skemaet til perforering af kort og kortlæseren indspillede og læste resultaterne af et helt skridt af algoritmen (ved at fjerne en af variablerne fra ligningssystemet).
Arbejdet med ABC stoppede i midten af 1942, da Atanasov og Berry meldte sig til den hastigt voksende amerikanske krigsmaskine, hvor der var behov for både kroppe og hjerner. Atanasov blev kaldt til Marine Artillery Laboratory i Washington for at lede et team, der udviklede akustiske miner. Berry giftede sig med Atanasovs sekretær og fandt sig en stilling i et kontraktfirma, der arbejdede for militæret i Californien, for at undgå at blive indkaldt til krigen. Atanasov forsøgte i et stykke tid at patentere sin opfindelse i Iowa, men uden held. Efter krigen beskæftigede han sig med andre ting og tog aldrig computersammen alvorligt igen. Selve computeren blev sendt til skrot i 1948 for at frigøre plads på kontoret til en ny kandidat fra universitetet.
Måske begyndte Atanasov bare at arbejde for tidligt. Han baserede sig på beskedne universitetstilskud og kunne kun bruge nogle få tusinde dollar på at skabe ABC, så besparelsen overskyggede alle andre problemer i hans projekt. Hvis han havde ventet til begyndelsen af 1940'erne, kunne han have fået et statsligt tilskud til et fuldt elektronisk apparat. Og i sådan en tilstand - med begrænset anvendelse, kompliceret betjening, usikker, ikke særlig hurtig - blev ABC ikke meget lovende, når det kom til at demonstrere nyttigheden af elektronisk beregning. Den amerikanske krigsmaskine, på trods af den enorme beregningsmæssige trang, lod ABC ruste i byen Ames, Iowa.
Krigens beregningsmaskiner
Første Verdenskrig skabte og startede et system med massiv investering i videnskab og teknologi og forberedte det til Anden Verdenskrig. På kun få år overgik krigsførelsen til at bruge giftige gasser, magnetiske miner, luftopklaring og bombardementer osv. Ingen politisk eller militær leder kunne undgå at bemærke sådanne hurtige transformationer. De var så hurtige, at tidligt igangsatte forskning kunne vippe vægtskålen i den ene eller anden retning.
I USA var der rigeligt med materialer og sind (mange af dem var flygtninge fra det nazistiske Tyskland), og de var væk fra de umiddelbare kampe om overlevelse og dominans, som berørte andre lande. Dette gjorde det muligt for landet at lære denne lektion særligt klart. Dette kom til udtryk i, at omfattende industrielle og intellektuelle ressourcer blev kastet ind i udviklingen af det første atomvåben. En mindre kendt, men ikke mindre vigtig eller mindre omfattende investering var investeringen i udviklingen af radarteknologi, hvis centrum lå på MIT i Rad Lab.
Således modtog det spirende område af automatiske beregninger sin del af militærfinansiering, omend i langt mindre omfang. Vi har allerede nævnt mangfoldigheden af elektromechaniske beregningsprojekter, der blev født af krigen. Potentialet for relæbaserede computere var, relativt talt, velkendt, da telefoncentraler med tusindvis af relæer på det tidspunkt havde fungeret i mange år. Elektroniske komponenter havde endnu ikke bevist deres pålidelighed i så stort omfang. Størstedelen af eksperterne mente, at elektroniske computere uundgåeligt ville være upålidelige (ABC var et eksempel) eller at bygningen af dem ville tage for lang tid. På trods af den pludselige tilstrømning af offentlige midler var der få militærprojekter inden for elektronisk beregning, og de var sjældne. Kun tre blev igangsat, og kun to førte til fungerende maskiner.
I Tyskland bevistede telekommunikationsingeniøren Helmuth Schreyer overfor sin ven Konrad Zuse værdien af den elektroniske maskine i forhold til den elektromechaniske "V3", som Zuse byggede til luftfartsindustrien (senere kendt som Z3). Zuse gik til sidst med til at arbejde på det andet projekt sammen med Schreyer, og Luftfartsinstituttet tilbød at finansiere prototypen med 100 rør i slutningen af 1941. Men de to mænd engagerede sig først i mere prioriteret militært arbejde, og derefter blev deres arbejde alvorligt forsinket af skader forårsaget af bombninger, hvilket resulterede i, at de aldrig fik deres maskine til at fungere pålideligt.
Zuse (til højre) og Schreyer (til venstre) arbejder på en elektromechanisk computer i Zuses forældres lejlighed i Berlin
Den første elektroniske computer, der udførte nyttigt arbejde, blev skabt i et hemmeligt laboratorium i Storbritannien, hvor en telekommunikationsingeniør foreslog en ny radikal tilgang til kryptanalyse baseret på ventiler. Denne historie vil vi afsløre næste gang.
Hvad mere at læse:
• Alice R. Burks og Arthur W. Burks, The First Electronic Computer: The Atanasoff Story (1988)
• David Ritchie, The Computer Pioneers (1986)
• Jane Smiley, The Man Who Invented the Computer (2010)
Kilde: habr.com
