Die vergessene Generation der Relaiscomputer

In unserem vorheriger Artikel beschrieb den Aufstieg automatischer Telefonzentralen, die durch Relaisschaltungen gesteuert wurden. Dieses Mal wollen wir darüber sprechen, wie Wissenschaftler und Ingenieure in der ersten – heute vergessenen – Generation digitaler Computer Relaisschaltungen entwickelten.

Staffel im Zenit

Wie Sie sich erinnern, basiert die Funktionsweise eines Relais auf einem einfachen Prinzip: Ein Elektromagnet betätigt einen Metallschalter. Die Idee des Relais wurde in den 1830er Jahren unabhängig voneinander von mehreren Naturforschern und Unternehmern im Telegraphengeschäft vorgeschlagen. Dann, Mitte des XNUMX. Jahrhunderts, machten Erfinder und Mechaniker das Relais zu einem zuverlässigen und unverzichtbaren Bestandteil von Telegrafennetzen. In diesem Bereich erreichte das Leben des Relais seinen Höhepunkt: Es wurde miniaturisiert und Generationen von Ingenieuren schufen eine Vielzahl von Konstruktionen, die formal in Mathematik und Physik ausgebildet waren.

Zu Beginn des 1870. Jahrhunderts enthielten nicht nur automatische Vermittlungssysteme, sondern fast alle Telefonnetzgeräte die eine oder andere Art von Relais. Eine der frühesten Anwendungen in der Telefonie geht auf die XNUMXer Jahre zurück, nämlich in manuellen Schaltern. Wenn der Teilnehmer den Griff des Telefons (Magnetgriff) drehte, wurde ein Signal an die Telefonzentrale gesendet und der Mixer eingeschaltet. Blenker ist ein Relais, das beim Auslösen auf dem Schalttisch des Telefonisten einen Metallverschluss senkte, der einen eingehenden Anruf anzeigte. Dann steckte die Bedienerin den Stecker in den Stecker, das Relais wurde zurückgesetzt, danach konnte die Klappe wieder angehoben werden, die von einem Elektromagneten in dieser Position gehalten wurde.

Bis 1924, so schrieben zwei Bell-Ingenieure, versorgte eine typische manuelle Telefonzentrale etwa 10 Teilnehmer. Ihre Ausrüstung umfasste 40-65 Relais, deren gesamte Magnetkraft „ausreichte, um 10 Tonnen zu heben“. In großen Telefonzentralen mit Maschinenvermittlungsstellen wurden diese Eigenschaften verdoppelt. Im gesamten US-amerikanischen Telefonsystem wurden viele Millionen Relais verwendet, und ihre Zahl nahm mit der Automatisierung der Telefonzentralen stetig zu. Ein Telefonanschluss könnte – je nach Anzahl und Ausstattung der beteiligten Telefonzentralen – einige bis mehrere Hundert Relais bedienen.

Die Fabriken von Western Electric, dem Produktionszweig der Bell Corporation, stellten eine große Auswahl an Relais her. Ingenieure haben so viele Modifikationen vorgenommen, dass die anspruchsvollsten Hundezüchter oder Taubenliebhaber diese Sorte beneiden würden. Arbeitsgeschwindigkeit und Empfindlichkeit des Relais wurden optimiert, die Abmessungen reduziert. Im Jahr 1921 produzierte Western Electric fast 5 Millionen Relais von einhundert Grundtypen. Am massivsten war das Universalrelais Typ E, ein flaches, fast rechteckiges Gerät mit einem Gewicht von mehreren zehn Gramm. Es bestand größtenteils aus gestanzten Metallteilen, war also technologisch fortschrittlich in der Produktion. Das Gehäuse schützte die Kontakte vor Staub und induzierten Strömen benachbarter Geräte: Normalerweise wurden die Relais nahe beieinander in Racks mit Hunderten und Tausenden von Relais montiert. Insgesamt wurden 3 Varianten des Typs E entwickelt, die sich jeweils in Wicklungs- und Kontaktkonfigurationen unterschieden.

Bald wurden diese Relais in den komplexesten Schaltern eingesetzt.

Koordinatenschalter

Im Jahr 1910 hatte Gotthilf Betulander, ein Ingenieur beim Royal Telegrafverket, dem Staatsunternehmen, das den größten Teil des schwedischen Telefonmarktes (über Jahrzehnte fast den gesamten) kontrollierte, eine Idee. Er glaubte, dass er die Effizienz des Telegrafverket-Betriebs durch den Bau automatischer Vermittlungssysteme, die vollständig auf Relais basieren, erheblich verbessern könnte. Genauer gesagt auf Relaismatrizen: Gitter aus Stahlstäben, die mit Telefonleitungen verbunden sind, mit Relais an den Kreuzungspunkten der Stäbe. Ein solcher Schalter soll schneller, zuverlässiger und wartungsfreundlicher sein als Systeme, die auf Schleif- oder Drehkontakten basieren.

Darüber hinaus kam Bethulander auf die Idee, dass es möglich ist, die für die Auswahl und Verbindung verantwortlichen Teile des Systems in unabhängige Relaiskreise zu unterteilen. Und der Rest des Systems sollte nur zum Aufbau eines Sprachkanals verwendet werden und dann für die Bedienung eines weiteren Anrufs freigegeben werden. Das heißt, Betulander kam auf die Idee, die später „Common Control“ (gemeinsame Kontrolle) genannt wurde.

Er nannte die Schaltung, die die Nummer des eingehenden Anrufs speichert, „Recorder“ (ein anderer Begriff ist Register). Und das Schema, das die verfügbare Verbindung im Raster findet und „markiert“, nannte er „Marker“. Der Autor hat sein System patentieren lassen. Mehrere solcher Stationen entstanden in Stockholm und London. Und 1918 erfuhr Bethulander von einer amerikanischen Innovation: dem Crossbar-Schalter, den der Bell-Ingenieur John Reynolds fünf Jahre zuvor entwickelt hatte. Dieser Schalter war dem Design von Betulander sehr ähnlich, wurde jedoch verwendet n+m Wartungsrelais n+m Matrixknoten, was für den weiteren Ausbau der Telefonzentralen wesentlich praktischer war. Wenn eine Verbindung hergestellt wurde, klemmte die Haltestange die „Finger“ der Klaviersaiten und die Auswahlstange bewegte sich über die Matrix, um eine Verbindung zu einem anderen Anruf herzustellen. Im folgenden Jahr integrierte Bethulander diese Idee in seinen Kommutatorentwurf.

Aber die meisten Ingenieure hielten Bethulanders Schöpfung für seltsam und unnötig kompliziert. Als es darum ging, ein Vermittlungssystem zur Automatisierung der Netzwerke der größten schwedischen Städte zu wählen, entschied sich Telegrafverket für ein von Ericsson entwickeltes Design. Bethulander-Vermittlungsstellen wurden nur in kleinen Telefonzentralen in ländlichen Gebieten eingesetzt: Die Relais waren zuverlässiger als die motorisierte Automatisierung von Ericsson-Vermittlungsstellen und erforderten nicht an jeder Vermittlungsstelle Wartungstechniker.

Amerikanische Telefoningenieure waren diesbezüglich jedoch anderer Meinung. 1930 kamen Bell Labs nach Schweden und waren „sehr beeindruckt von den Parametern des Koordinatenschaltmoduls“. Nach ihrer Rückkehr begannen die Amerikaner sofort mit der Arbeit an dem sogenannten „Koordinatensystem Nr. 1“, das Schalttafelschalter in Großstädten ersetzen sollte. Bis 1938 wurden in New York zwei solcher Systeme installiert. Sie gehörten bald zur Standardausrüstung städtischer Telefonzentralen, bis sie über 30 Jahre später durch elektronische Vermittlungsstellen ersetzt wurden.

Die interessanteste Komponente von Crossbar #1 war der neue, komplexere Marker, der bei Bell entwickelt wurde. Es sollte über mehrere miteinander verbundene Koordinatenmodule nach einem freien Weg vom Anrufer zum Angerufenen gesucht werden, wodurch eine Telefonverbindung entstand. Außerdem musste der Token jede Verbindung auf den Status „Frei“/„Besetzt“ testen. Dies erforderte die Anwendung einer bedingten Logik. Wie der Historiker Robert Chapuis schrieb:

Die Wahl ist willkürlich, denn eine freie Verbindung wird nur dann gehalten, wenn sie den Zugang zu einer Schiene ermöglicht, die als Ausgang eine freie Verbindung zur nächsten Ebene hat. Erfüllen mehrere Verbindungssätze die gewünschten Bedingungen, so wählt die „Prioritätslogik“ (Präferenzlogik) eine der [vorhandenen] kleinsten Verbindungen aus ...

Die Crossbar ist ein perfektes Beispiel für die gegenseitige Befruchtung technologischer Ideen. Betulander entwickelte seinen All-Relais-Schalter, verbesserte ihn dann mit einer Reynolds-Schaltmatrix und bewies, dass das resultierende Design funktioniert. Später gestalteten die Ingenieure von AT&T diesen Hybridschalter neu, verbesserten ihn und schufen das Koordinatensystem Nr. 1. Dieses System wurde dann Bestandteil zweier früher Computer, von denen einer heute als Meilenstein in der Geschichte der Informatik gilt.

Mathematische Berechnungen (mathematische Arbeit)

Um zu verstehen, wie und warum Relais und ihre elektronischen Verwandten dazu beigetragen haben, die Informatik zu revolutionieren, brauchen wir einen kurzen Exkurs in die Welt der mathematischen Informatik. Danach wird deutlich, warum es einen versteckten Bedarf an der Optimierung von Rechenprozessen gibt.

Zu Beginn des XNUMX. Jahrhunderts basierte das gesamte System der modernen Wissenschaft und Technik auf der Arbeit Tausender Menschen, die mathematische Berechnungen durchführten. Sie wurden gerufen Computers (Computers)[Um Verwirrung zu vermeiden, wird im Folgenden der Begriff verwendet Taschenrechner. - Notiz. pro.]. In den 1820er Jahren schuf Charles Babbage Differenzmotor (obwohl sein Apparat ideologische Vorgänger hatte). Seine Hauptaufgabe bestand darin, die Erstellung mathematischer Tabellen beispielsweise für die Navigation (Berechnung trigonometrischer Funktionen durch Polynomnäherungen bei 0 Grad, 0,01 Grad, 0,02 Grad usw.) zu automatisieren. Auch in der Astronomie bestand ein großer Bedarf an mathematischen Berechnungen: Es galt, die Rohergebnisse von Teleskopbeobachtungen in festen Regionen der Himmelssphäre (und die Abhängigkeit von Zeit und Datum der Beobachtungen) zu verarbeiten oder die Umlaufbahnen neuer Objekte zu bestimmen (zum Beispiel Halleyscher Komet).

Seit der Zeit von Babbage ist der Bedarf an Computern exponentiell gestiegen. Elektrizitätsunternehmen mussten das Verhalten von Stromübertragungssystemen mit äußerst komplexen dynamischen Eigenschaften verstehen. Kanonen aus Bessemer-Stahl, die in der Lage waren, Projektile über den Horizont zu werfen (und daher aufgrund der direkten Beobachtung des Ziels nicht mehr gezielt zu werden), erforderten immer genauere ballistische Tabellen. Sowohl in der Wissenschaft als auch im wachsenden Staatsapparat wurden zunehmend neue statistische Instrumente eingesetzt, die eine große Menge mathematischer Berechnungen erforderten (z. B. die Methode der kleinsten Quadrate). Universitäten, Regierungsstellen und Industrieunternehmen richteten Informatikabteilungen ein, in denen in der Regel Frauen eingestellt waren.

Mechanische Rechenmaschinen erleichterten die Rechenaufgabe nur, lösten sie jedoch nicht. Rechner beschleunigten arithmetische Operationen, aber jede komplexe wissenschaftliche oder technische Aufgabe erforderte Hunderte oder Tausende von Operationen, die der Rechner (Mensch) jeweils manuell ausführen und alle Zwischenergebnisse sorgfältig aufzeichnen musste.

Mehrere Faktoren trugen zur Entstehung neuer Ansätze für das Problem der mathematischen Berechnungen bei. Junge Wissenschaftler und Ingenieure, die ihre Aufgaben nachts mühsam berechneten, wollten ihre Hände und Augen ausruhen. Vor allem nach dem Ersten Weltkrieg waren Projektleiter gezwungen, immer mehr Geld für die Gehälter zahlreicher Rechner auszugeben. Schließlich waren viele fortgeschrittene wissenschaftliche und technische Probleme schwer von Hand zu berechnen. All diese Faktoren führten zur Entwicklung einer Reihe von Computern, an denen unter der Leitung von Vannevar Bush, einem Elektroingenieur am Massachusetts Institute of Technology (MIT), gearbeitet wurde.

Differentialanalysator

Bisher war die Geschichte oft unpersönlich, aber jetzt werden wir mehr über bestimmte Personen sprechen. Glory hat die Erfinder des Schalttafelschalters, des Typ-E-Relais und der Referenzmarkierungsschaltung umgangen. Über sie sind nicht einmal biografische Anekdoten überliefert. Der einzige öffentlich zugängliche Beweis ihres Lebens sind die versteinerten Überreste der von ihnen geschaffenen Maschinen.

Jetzt können wir ein tieferes Verständnis der Menschen und ihrer Vergangenheit erlangen. Aber wir werden diejenigen nicht mehr treffen, die zu Hause hart auf dem Dachboden und in den Werkstätten gearbeitet haben – Morse und Vail, Bell und Watson. Mit dem Ende des Ersten Weltkriegs war die Ära der heldenhaften Erfinder fast vorbei. Thomas Edison kann als Übergangsfigur gelten: Zu Beginn seiner Karriere war er als Erfinder angestellt, gegen Ende wurde er Besitzer einer „Erfindungsfabrik“. Zu diesem Zeitpunkt war die Entwicklung der bemerkenswertesten neuen Technologien die Domäne von Organisationen geworden – Universitäten, Forschungsabteilungen von Unternehmen und Regierungslabors. Die Personen, über die wir in diesem Abschnitt sprechen werden, gehörten solchen Organisationen an.

Nehmen Sie zum Beispiel Vanivar Bush. Er kam 1919 im Alter von 29 Jahren am MIT an. Etwas mehr als 20 Jahre später gehörte er zu den Menschen, die das Engagement der USA im Zweiten Weltkrieg beeinflussten und dazu beitrugen, die öffentlichen Mittel zu erhöhen, was die Beziehung zwischen Regierung, Wissenschaft und der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie für immer veränderte. Für die Zwecke dieses Artikels interessieren wir uns jedoch für eine Reihe von Maschinen, die seit Mitte der 1920er Jahre im Bush-Labor entwickelt wurden und das Problem mathematischer Berechnungen lösen sollten.

Das MIT, das kürzlich vom Zentrum Bostons an die Charles Riverfront in Cambridge umgezogen war, war eng mit den Bedürfnissen der Branche verbunden. Bush selbst hatte neben seiner Professur auch finanzielle Beteiligungen an mehreren Elektronikunternehmen. Es sollte Sie also nicht überraschen, dass das Problem, das Bush und seine Studenten dazu veranlasste, an dem neuen Computergerät zu arbeiten, seinen Ursprung in der Energiewirtschaft hatte: die Simulation des Verhaltens von Übertragungsleitungen unter Spitzenlastbedingungen. Offensichtlich war dies nur eine der vielen Einsatzmöglichkeiten von Computern: Überall wurden mühsame mathematische Berechnungen durchgeführt.

Bush und seine Kollegen bauten zunächst zwei Maschinen, die sie Produktintegraphen nannten. Aber die berühmteste und erfolgreichste MIT-Maschine war eine andere – Differentialanalysator1931 fertiggestellt. Er löste Probleme bei der Übertragung von Elektrizität, berechnete die Bahnen von Elektronen, die Flugbahnen der kosmischen Strahlung im Erdmagnetfeld und vieles mehr. Forscher auf der ganzen Welt, die Rechenleistung benötigten, erstellten in den 1930er Jahren Dutzende Kopien und Varianten des Differentialanalysators. Einige – sogar von Meccano (dem englischen Analogon der amerikanischen Kinderdesigner der Marke). Aufrichter-Set).

Der Differentialanalysator ist ein analoger Computer. Mathematische Funktionen wurden mithilfe rotierender Metallstäbe berechnet, deren Rotationsgeschwindigkeit jeweils einen quantitativen Wert widerspiegelte. Der Motor betätigte eine unabhängige Stange – eine Variable (normalerweise stellte sie die Zeit dar), die wiederum über mechanische Verbindungen andere Stangen (unterschiedliche Differentialvariablen) drehte, und eine Funktion wurde basierend auf der Eingangsdrehgeschwindigkeit berechnet. Die Berechnungsergebnisse wurden in Form von Kurven auf Papier gezeichnet. Die wichtigsten Komponenten waren Integratoren – Räder, die sich mit Scheiben drehten. Integratoren könnten das Integral einer Kurve ohne langwierige manuelle Berechnungen berechnen.

Differentialanalysator. Integriertes Modul – mit angehobenem Deckel, an der Seite des Fensters befinden sich Tabellen mit den Ergebnissen der Berechnungen und in der Mitte – ein Komplex aus Rechenstäben

Keine der Analysatorkomponenten enthielt diskrete Schaltrelais oder digitale Schalter jeglicher Art. Warum reden wir also über dieses Gerät? Die Antwort ist vierte Familienauto.

In den frühen 1930er Jahren begann Bush, die Rockefeller-Stiftung zu umwerben, um Geld für die Weiterentwicklung des Analysegeräts zu erhalten. Warren Weaver, Leiter der naturwissenschaftlichen Abteilung der Stiftung, war zunächst nicht überzeugt. Ingenieurwesen war nicht sein Fachgebiet. Bush betonte jedoch das grenzenlose Potenzial seiner neuen Maschine für wissenschaftliche Anwendungen – insbesondere in der mathematischen Biologie, Weavers Lieblingsprojekt. Bush versprach außerdem zahlreiche Verbesserungen des Analysators, darunter „die Möglichkeit, den Analysator schnell von einem Problem auf ein anderes umzuschalten, wie eine Telefonzentrale.“ Im Jahr 1936 wurden seine Bemühungen mit einem Zuschuss von 85 US-Dollar für den Bau eines neuen Geräts belohnt, das später den Namen Rockefeller Differential Analyzer erhielt.

Als praktischer Taschenrechner war dieser Analysator kein herausragender Durchbruch. Bush, der Vizepräsident des MIT und Dekan der technischen Abteilung wurde, konnte nicht viel Zeit für die Leitung der Entwicklung aufwenden. Tatsächlich zog er sich bald zurück und übernahm die Aufgaben des Vorsitzenden der Carnegie Institution in Washington. Bush spürte das Herannahen eines Krieges und hatte mehrere wissenschaftliche und industrielle Ideen, die den Bedürfnissen der Streitkräfte dienen könnten. Das heißt, er wollte näher am Machtzentrum sein, wo er die Lösung bestimmter Probleme effektiver beeinflussen konnte.

Gleichzeitig wurden die technischen Probleme, die das neue Design mit sich brachte, vom Laborpersonal gelöst und bald darauf für die Arbeit an militärischen Aufgaben eingesetzt. Die Rockefeller-Maschine wurde erst 1942 fertiggestellt. Das Militär fand es nützlich für die Inline-Produktion ballistischer Tische für die Artillerie. Aber bald wurde dieses Gerät völlig in den Schatten gestellt Digital Computer - Zahlen nicht als physikalische Größen, sondern abstrakt mit Hilfe von Schalterstellungen darstellen. Zufällig verwendete der Rockefeller-Analysator selbst eine ganze Reihe dieser Schalter, die aus Relaisschaltungen bestanden.

Shannon

Im Jahr 1936 war Claude Shannon erst 20 Jahre alt, hatte aber bereits einen Bachelor-Abschluss in zwei Fachgebieten an der University of Michigan erworben: Elektrotechnik und Mathematik. Er wurde durch einen Flyer, der an einer Pinnwand befestigt war, zum MIT gebracht. Vanivar Bush war auf der Suche nach einem neuen Assistenten für die Arbeit an einem Differentialanalysator. Shannon bewarb sich ohne zu zögern und begann bald mit der Arbeit an neuen Problemen, und erst danach nahm das neue Gerät Gestalt an.

Shannon sah überhaupt nicht wie Bush aus. Er war weder ein Geschäftsmann, noch ein akademischer Reichsbauer, noch ein Administrator. Sein ganzes Leben lang liebte er Spiele, Rätsel und Unterhaltung: Schach, Jonglieren, Labyrinthe, Kryptogramme. Wie viele Männer seiner Zeit widmete sich Shannon während des Krieges einer ernsten Sache: Er hatte eine Position bei Bell Labs im Rahmen eines Regierungsvertrags inne, der seinen fragilen Körper vor der Wehrpflicht schützte. Seine Forschungen zu Feuerkontrolle und Kryptographie in dieser Zeit führten wiederum zu wegweisenden Arbeiten zur Informationstheorie (wir werden darauf nicht näher eingehen). In den 1950er Jahren, als der Krieg und seine Folgen nachließen, unterrichtete Shannon wieder am MIT und verbrachte seine Freizeit mit Unterhaltung: einem Taschenrechner, der ausschließlich mit römischen Ziffern arbeitete; Bei einer Maschine tauchte beim Einschalten ein mechanischer Arm auf und schaltete die Maschine aus.

Der Aufbau der Rockefeller-Maschine, auf die Shannon stieß, war logischerweise derselbe wie der des Analysators von 1931, bestand jedoch aus völlig anderen physikalischen Komponenten. Bush erkannte, dass die Stangen und mechanischen Zahnräder in älteren Maschinen ihre Effizienz verringerten: Um Berechnungen durchführen zu können, musste die Maschine abgestimmt werden, was viele Arbeitsstunden von erfahrenen Mechanikern erforderte.

Der neue Analysator hat dieses Manko verloren. Das Herzstück seines Entwurfs war kein Tisch mit Stangen, sondern ein Koordinatenschalter – ein zusätzlicher Prototyp, der von Bell Labs gespendet wurde. Anstatt die Kraft über eine zentrale Welle zu übertragen, wurde jedes integrierte Modul unabhängig von einem Elektromotor angetrieben. Um die Maschine zur Lösung eines neuen Problems einzurichten, reichte es aus, nur die Relais in der Koordinatenmatrix zu konfigurieren, um die Integratoren in der gewünschten Reihenfolge anzuschließen. Ein Lochstreifenleser (von einem anderen Telekommunikationsgerät, einer Fernschreibrolle, entlehnt) las die Konfiguration der Maschine, und eine Relaisschaltung wandelte das Signal vom Band in Steuersignale für die Matrix um – es war, als würde man eine Reihe von Telefongesprächen dazwischen aufbauen Integratoren.

Die neue Maschine war nicht nur viel schneller und einfacher einzurichten, sondern auch schneller und genauer als ihr Vorgänger. Sie könnte komplexere Probleme lösen. Heutzutage mag dieser Computer als primitiv, ja sogar extravagant gelten, doch damals kam es den Beobachtern vor, als sei ein großer – oder vielleicht schrecklicher – Geist am Werk:

Tatsächlich handelt es sich um einen mathematischen Roboter. Ein elektrisch betriebener Automat, der nicht nur das menschliche Gehirn von der Last schwerer Berechnungen und Analysen entlasten soll, sondern sich auch auf mathematische Probleme stürzen und diese lösen soll, die über eine mentale Lösung hinausgehen.

Shannon konzentrierte sich darauf, die Daten vom Papierband in Anweisungen für das „Gehirn“ umzuwandeln, und die Relaisschaltung war für diesen Vorgang verantwortlich. Er machte auf die Entsprechung zwischen der Struktur des Schaltkreises und den mathematischen Strukturen der Booleschen Algebra aufmerksam, die er in seinem Abschlussjahr in Michigan studierte. Dies ist eine Algebra, deren Operanden waren Richtig und falsch, und die Operatoren UND, ODER, NICHT usw. Algebra, entsprechend logischen Aussagen.

Nachdem Shannon den Sommer 1937 in den Bell Labs in Manhattan gearbeitet hatte (ein idealer Ort, um über Relaisschaltungen nachzudenken), schrieb er seine Masterarbeit mit dem Titel „A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits“. Zusammen mit Alan Turings Arbeit im Jahr zuvor bildete Shannons Dissertation die Grundlage der Computermaschinenwissenschaft.

In den 1940er und 1950er Jahren baute Shannon mehrere Rechen-/Logikmaschinen: einen römischen Kalkülrechner THROBAC, eine Schach-Endspielmaschine und Theseus, ein Labyrinth, das von einer elektromechanischen Maus gesteuert wird (im Bild).

Shannon entdeckte, dass das System aussagenlogischer Gleichungen direkt mechanistisch in einen physikalischen Schaltkreis aus Relaisschaltern übersetzt werden kann. Er kam zu dem Schluss: „Tatsächlich jede Operation, die in einer endlichen Anzahl von Schritten mit Worten beschrieben werden kann.“ WENN, UND, ODER usw., können automatisch durch Relais durchgeführt werden. Beispielsweise bilden zwei in Reihe geschaltete gesteuerte Schaltrelais eine Logik И: Strom fließt nur dann durch das Hauptkabel, wenn beide Elektromagnete aktiviert sind, um die Schalter zu schließen. Gleichzeitig bilden zwei parallel geschaltete Relais Form OR: Strom fließt durch den Hauptstromkreis, aktiviert durch einen der Elektromagnete. Der Ausgang einer solchen Logikschaltung kann wiederum die Elektromagnete anderer Relais antreiben, um komplexere Logikoperationen wie (A.) zu erzeugen И B) oder (C И G).

Shannon schloss seine Dissertation mit einem Anhang mit mehreren Beispielen von Schaltkreisen ab, die mit seiner Methode erstellt wurden. Da die Operationen der Booleschen Algebra denen der binären Arithmetik (d. h. der Verwendung binärer Zahlen) sehr ähnlich sind, zeigte er, wie ein Relais in einen „elektrischen Addierer in Binärform“ eingebaut werden könnte – wir nennen ihn einen binären Addierer. Einige Monate später stellte einer der Wissenschaftler von Bell Labs eine solche Natter auf dem Küchentisch her.

Stibitz

George Stibitz, ein Forscher in der Mathematikabteilung am Hauptsitz der Bell Labs in Manhattan, brachte an einem dunklen Novemberabend im Jahr 1937 eine seltsame Ausrüstung mit nach Hause. Trockene Batteriezellen, zwei kleine Glühbirnen für Hardware-Abschirmungen und ein paar flache Typ-U-Relais, die in einem Mülleimer gefunden wurden. Indem er einige Drähte und etwas Schrott hinzufügte, baute er ein Gerät zusammen, das zwei einstellige Binärzahlen (dargestellt durch das Vorhandensein oder Fehlen einer Eingangsspannung) addieren und mithilfe von Glühbirnen eine zweistellige Zahl ausgeben konnte: Eins – an, Null – aus .

Binärer Stiebits-Addierer

Stiebitz, ein ausgebildeter Physiker, wurde gebeten, die physikalischen Eigenschaften von Relaismagneten zu bewerten. Zuvor hatte er überhaupt keine Erfahrung mit Relais und begann daher mit der Untersuchung ihrer Verwendung in Bell-Telefonschaltungen. George bemerkte bald Ähnlichkeiten zwischen einigen Schaltkreisen und arithmetischen Operationen mit Binärzahlen. Fasziniert stellte er sein Nebenprojekt auf dem Küchentisch zusammen.

Stiebitz‘ Relais-Basteleien erregten zunächst wenig Interesse bei den Führungskräften von Bell Labs. Doch 1938 fragte der Leiter der Forschungsgruppe George, ob seine Taschenrechner für arithmetische Operationen mit komplexen Zahlen (z. B. a+biWo i ist die Quadratwurzel einer negativen Zahl). Es stellte sich heraus, dass sich mehrere Computerabteilungen der Bell Labs bereits darüber beschwerten, dass sie solche Zahlen ständig multiplizieren und dividieren mussten. Die Multiplikation einer komplexen Zahl erforderte vier arithmetische Operationen auf einem Tischrechner, die Division - 16 Operationen. Stiebitz sagte, er könne das Problem lösen und entwarf eine Maschine für solche Berechnungen.

Der endgültige Entwurf, der vom Telefoningenieur Samuel Williams in Metall umgesetzt wurde, hieß Complex Number Computer – oder kurz Complex Computer – und ging 1940 in Produktion. Für die Berechnungen wurden 450 Relais verwendet, Zwischenergebnisse wurden in zehn Koordinatenschaltern gespeichert. Die Dateneingabe und der Empfang erfolgten über einen Rollfernschreiber. Die Abteilungen von Bell Labs haben drei dieser Fernschreiber installiert, was auf einen großen Bedarf an Rechenleistung hinweist. Relais, Matrix, Fernschreiber – in jeder Hinsicht war es ein Produkt des Bell-Systems.

Die Sternstunde von Complex Computer schlug am 11. September 1940. Stiebitz präsentierte auf einem Treffen der American Mathematical Society am Dartmouth College einen Bericht über den Computer. Er ließ dort eine Fernschreibmaschine mit Telegrafenverbindung zum 400 Kilometer entfernten Complex Computer im Manhattan installieren. Wer wollte, konnte zu einer Fernschreibmaschine gehen, die Bedingungen des Problems über die Tastatur eingeben und sehen, wie die Fernschreibmaschine in weniger als einer Minute das Ergebnis auf magische Weise druckt. Unter denen, die die Neuheit getestet haben, waren John Mauchly (John Mauchly) und John von Neumann (John von Neumann), von denen jeder eine wichtige Rolle in der Fortsetzung unserer Geschichte spielen wird.

Die Teilnehmer des Treffens erhielten einen kurzen Einblick in die zukünftige Welt. Später wurden Computer so teuer, dass Administratoren sie nicht länger untätig herumsitzen lassen konnten, während sich der Benutzer vor einer Verwaltungskonsole am Kinn kratzte und darüber nachdachte, was er als Nächstes eingeben sollte. In den nächsten 20 Jahren werden Wissenschaftler darüber nachdenken, wie man Allzweckcomputer bauen kann, die immer darauf warten, dass Sie Daten eingeben, auch wenn Sie an etwas anderem arbeiten. Und dann werden weitere 20 Jahre vergehen, bis diese interaktive Art des Rechnens zur Ordnung wird.

Stiebits am Dartmouth Interactive Terminal in den 1960er Jahren. Das Dartmouth College war ein Pionier im interaktiven Computing. Stiebitz wurde 1964 Hochschulprofessor

Es ist überraschend, dass Complex Computer trotz der von ihm gelösten Aufgaben nach modernen Maßstäben überhaupt kein Computer ist. Es könnte komplexe Zahlenarithmetik und wahrscheinlich andere ähnliche Aufgaben ausführen, jedoch keine Allzweckaufgaben. Es war nicht programmierbar. Er konnte Operationen nicht wahllos oder wiederholt durchführen. Es handelte sich um einen Taschenrechner, der bestimmte Berechnungen viel besser durchführen konnte als seine Vorgänger.

Mit Ausbruch des Zweiten Weltkriegs wurde bei Bell unter der Leitung von Stibitz eine Reihe von Computern mit den Namen Model II, Model III und Model IV entwickelt (Complex Computer erhielt jeweils den Namen Model I). Die meisten von ihnen wurden auf Wunsch des National Defense Research Committee gebaut, dessen Leiter niemand Geringeres als Vanevar Bush war. Stiebitz verbesserte das Layout der Maschinen im Hinblick auf eine größere Funktionsvielfalt und Programmierbarkeit.

Beispielsweise wurde der Ballistic Calculator (später Modell III) für die Anforderungen von Flugabwehr-Feuerleitsystemen entwickelt. Es wurde 1944 in Fort Bliss, Texas, in Dienst gestellt. Das Gerät enthielt 1400 Relais und konnte ein Programm mathematischer Operationen ausführen, das durch eine Folge von Anweisungen auf einem Papierband in einer Schleife bestimmt wurde. Ein Band mit Eingabedaten wurde separat eingereicht, tabellarische Daten wurden separat eingereicht. Dadurch war es möglich, ohne echte Berechnungen schnell die Werte beispielsweise trigonometrischer Funktionen zu finden. Bell-Ingenieure entwickelten spezielle Suchschaltungen, die das Band vorwärts/rückwärts scannten und unabhängig von den Berechnungen nach der Adresse des gewünschten Tabellenwerts suchten. Stiebits stellte fest, dass sein Computer Modell III, der Tag und Nacht auf Relais klickte, 25–40 Taschenrechner ersetzte.

Bell-Relaisgestelle Modell III

Das Model V hatte keine Zeit, den Militärdienst zu absolvieren. Es ist noch vielseitiger und leistungsfähiger geworden. Gemessen an der Anzahl der ersetzten Computer war es dem Model III etwa zehnmal überlegen. Mehrere Rechenmodule mit 9 Relais könnten Eingabedaten von mehreren Stationen empfangen, an denen Benutzer die Bedingungen verschiedener Aufgaben eingeben. Jede dieser Stationen verfügte über einen Bandleser zur Dateneingabe und fünf für Anweisungen. Dadurch war es möglich, bei der Berechnung einer Aufgabe vom Hauptband aus verschiedene Unterprogramme aufzurufen. Das Hauptsteuermodul (eigentlich ein Analogon des Betriebssystems) verteilte Anweisungen je nach Verfügbarkeit an die Rechenmodule, und Programme konnten bedingte Sprünge ausführen. Es war nicht mehr nur ein Taschenrechner.

Jahr der Wunder: 1937

1937 kann als Wendepunkt in der Geschichte der Computer angesehen werden. In diesem Jahr stellten Shannon und Stiebitz Ähnlichkeiten zwischen Relaisschaltungen und mathematischen Funktionen fest. Diese Erkenntnisse veranlassten Bell Labs, eine Reihe wichtiger digitaler Maschinen zu entwickeln. Es war irgendwie Exaptation - oder sogar Ersatz -, als ein bescheidenes Telefonrelais, ohne seine physische Form zu ändern, zur Verkörperung abstrakter Mathematik und Logik wurde.

Im selben Jahr, in der Januar-Ausgabe der Publikation Verfahren der London Mathematical Society veröffentlichte einen Artikel des britischen Mathematikers Alan Turing „Über berechenbare Zahlen in Bezug auf Berechtigungsproblem» (Über berechenbare Zahlen, mit einer Anwendung auf das Entscheidungsproblem). Darin wurde eine universelle Rechenmaschine beschrieben: Der Autor argumentierte, dass sie Aktionen ausführen könne, die denen menschlicher Taschenrechner logisch gleichwertig seien. Auch Turing, der im Jahr zuvor sein Graduiertenstudium an der Princeton University begonnen hatte, war von Relaisschaltungen fasziniert. Und wie Bush ist er besorgt über die wachsende Kriegsgefahr mit Deutschland. Also übernahm er ein kryptografisches Projekt eines Drittanbieters, einen binären Multiplikator, der zur Verschlüsselung militärischer Nachrichten verwendet werden konnte. Turing baute es aus Relais, die in der Maschinenwerkstatt der Universität hergestellt wurden.

Ebenfalls im Jahr 1937 dachte Howard Aiken über einen angeblich automatischen Computer nach. Aiken, ein Harvard-Absolvent der Elektrotechnik, führte viele seiner Berechnungen nur mit einem mechanischen Taschenrechner und gedruckten Mathematiktabellen durch. Er schlug einen Entwurf vor, der diese Routine beseitigen würde. Im Gegensatz zu bestehenden Computergeräten musste es Prozesse automatisch und zyklisch verarbeiten und die Ergebnisse früherer Berechnungen als Eingabe für die nächsten verwenden.

Unterdessen erforschte der Telekommunikationsingenieur Akira Nakashima bei der Nippon Electric Company seit 1935 die Zusammenhänge zwischen Relaisschaltungen und der Mathematik. Schließlich bewies er 1938 unabhängig die Äquivalenz von Relaisschaltungen mit der Booleschen Algebra, die Shannon ein Jahr zuvor entdeckt hatte.

In Berlin suchte Konrad Zuse, ein ehemaliger Luftfahrtingenieur, der die endlosen Berechnungen bei der Arbeit satt hatte, nach Geldern für den Bau eines zweiten Computers. Da es ihm nicht gelang, sein erstes mechanisches Gerät, den V1, zuverlässig zum Laufen zu bringen, wollte er einen Relaiscomputer bauen, den er zusammen mit seinem Freund, dem Telekommunikationsingenieur Helmut Schreyer, entwickelte.

Die Universalität von Telefonrelais, die Schlussfolgerungen zur mathematischen Logik, der Wunsch kluger Köpfe, verblüffende Arbeit loszuwerden – all dies war miteinander verflochten und führte zur Entstehung der Idee einer neuen Art von logischer Maschine.

vergessene Generation

Die Früchte der Entdeckungen und Entwicklungen von 1937 mussten mehrere Jahre reifen. Der Krieg erwies sich als der stärkste Dünger, und mit seinem Aufkommen tauchten überall dort, wo das nötige technische Fachwissen vorhanden war, Relaiscomputer auf. Die mathematische Logik ist zum Weinberg der Elektrotechnik geworden. Es entstanden neue Formen programmierbarer Rechenmaschinen – der erste Entwurf moderner Computer.

Zusätzlich zu den Stiebitz-Maschinen konnten sich die USA 1944 des Harvard Mark I/IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC) rühmen, das Ergebnis von Aikens Vorschlag. Der Doppelname entstand aufgrund der Verschlechterung der Beziehungen zwischen akademischem Umfeld und Industrie: Jeder erhob Anspruch auf das Gerät. Der Mark I/ASCC verwendete Relaissteuerschaltungen, aber das Hauptrechenmodul basierte auf der mechanischen Rechnerarchitektur von IBM. Die Maschine wurde für die Bedürfnisse des US Bureau of Shipbuilding entwickelt. Sein Mark-II-Nachfolger begann 1948 auf dem Testgelände der Marine zu arbeiten, und sein gesamter Betrieb basierte ausschließlich auf Relais – 13 Relais.

Zuse baute während des Krieges mehrere Relaiscomputer, die immer komplexer wurden. Der Höhepunkt war das V4, das, wie das Bell Model V, Setups zum Aufrufen von Unterprogrammen und zum Durchführen bedingter Sprünge enthielt. Aufgrund der Materialknappheit in Japan wurden keine Entwürfe von Nakashima und seinen Landsleuten in Metall umgesetzt, bis sich das Land vom Krieg erholt hatte. In den 1950er Jahren finanzierte das neu gegründete Ministerium für Außenhandel und Industrie die Schaffung von zwei Relaismaschinen, von denen die zweite ein Monster mit 20 Relais war. Fujitsu, das an der Entstehung beteiligt war, hat eigene kommerzielle Produkte entwickelt.

Heute sind diese Maschinen fast völlig vergessen. Es bleibt nur ein Name im Gedächtnis – ENIAC (ENIAC). Der Grund für das Vergessen hängt nicht mit ihrer Komplexität, ihren Fähigkeiten oder ihrer Geschwindigkeit zusammen. Die von Wissenschaftlern und Forschern entdeckten rechnerischen und logischen Eigenschaften von Relais gelten für jede Art von Gerät, das als Schalter fungieren kann. Und so kam es, dass ein weiteres ähnliches Gerät verfügbar war - elektronisch ein Schalter, der hunderte Male schneller arbeiten könnte als ein Relais.

Die Bedeutung des Zweiten Weltkriegs in der Geschichte der Computermaschinen sollte bereits offensichtlich sein. Der schrecklichste Krieg war der Anstoß für die Entwicklung elektronischer Maschinen. Durch seine Einführung wurden die nötigen Ressourcen freigesetzt, um die offensichtlichen Mängel elektronischer Schalter zu überwinden. Die Dominanz elektromechanischer Computer war nur von kurzer Dauer. Wie die Titanen wurden sie von ihren Kindern gestürzt. Wie die Relais entstand auch die elektronische Schaltung aus den Bedürfnissen der Telekommunikationsindustrie. Und um herauszufinden, woher es kam, müssen wir unsere Geschichte bis zum Beginn des Radiozeitalters zurückspulen.

Source: habr.com