🥇Elektrooniliste arvutite ajalugu, osa 1: proloog

Elektrooniliste arvutite ajalugu, osa 1: proloog

Teised tsükli artiklid:

Kuidas me nägime eelmisel artiklil, raadio- ja telefonitehnikud otsisid võimsamaid võimendusi, avasid nad uue tehnoloogilise ala, mida kiiresti hakati nimetama elektroonikaks. Elektriline võimendi oli lihtne muuta digitaalseks lülitiks, mis töötas palju suurema kiirusel kui selle elektromehaaniline sugulane — telefonirelee. Ahnmiku poolte puudumise tõttu võis elektronlamp sisse ja välja lülituda mikrosekundi jooksul või isegi kiiremini, võrreldes kümnendika millisekundite või enamaga, mida nõudsid releed.

Aastatel 1939–1945 ehitati nende uute elektrooniliste komponentide põhjal kolm arvutit. Nende ehitamise kuupäevad langevad kokku Teise maailmasõja ajaga. See konflikt — ajaloo ütlemata analoog — sundis inimesi sõja sillutamiseks, muutis igaveseks suhteid nii riikide vahel kui ka teaduse ja tehnoloogia vahel ning tõi maailma hulgaliselt uusi seadmeid.

Kolme esimese elektroonilise arvuti lood on sõjaga põimunud. Esimene pühendati saksa sõnumite dešifreerimisele ja jäi saladuseks kuni 1970. aastateni, kui see ei olnud enam huvitav, välja arvatud ajaloolise tähenduse tõttu. Teine, millest enamik lugejatest oli kindlasti kuulnud, oli ENIAC, sõjaväe kalkulaator, mille ehitamine viibis, et see oleks sõda abistada. Kuid siin vaatleme kolme masina varaseimat, mille autori John Vincent Atanasov.

Atanasov

Aastal 1930 saavutas Atanasov, Ameerikas sündinud Osmanlikust Bulgaaria emigrandist poeg, lõpuks oma noorpõlve unistuse ja sai teoreetilise füüsiku. Kuid nagu enamiku selliste püüdlemistega, osutus reaalsus teistsuguseks, kui ta oli lootnud. Eriti, nagu enamus XX sajandi esimese poole inseneri- ja füüsikateaduste üliõpilastest, pidi Atanasov kannatama pidevate arvutuste piinu. Tema väitekiri Wisconsin ülikoolis heeliumi polariseerimise kohta nõudis kaheksat nädalat tüütut arvutamist mehaanilise lauaarvutiga. John Atanasov nooruses, saavutas lõpuks oma noorpõlve unistuse ja sai teoreetiliseks füüsikuks. Kuid nagu enamikul sellistest püüdlustest, ei vastanud reaalsus tema ootustele. Eriti kuna enamik 20. sajandi esimese poole inseneri- ja füüsikateaduse üliõpilasi pidi kannatama pidevate arvutuste kurnava koormuse tõttu. Tema doktoritöö Wisconsin ülikoolis heliumide polariseerimise kohta nõudis kaheksa nädalat igavaid arvutusi mehhaanilise lauakalkulaatori abil.

Elektrooniliste arvutite ajalugu, osa 1: proloog
John Atanasov nooruses

Aastaks 1935, olles juba Iowa osariigi ülikooli professoriks saanud, otsustas Atanasov, et peab midagi ette võtma selle koormaga. Ta hakkas kaaluma võimalusi uue, võimekama arvutimasina ehitamiseks. Ta lõi baaridest vinüüli, et mitte kasutada analoogmeetodeid (nagu MIT diferentsiaalanalüsaator) nende piirangute ja ebatäpsuse tõttu ning otsustas ehitada digitaalse masina, mis töötas numbritega diskreetsete väärtustena, mitte pidevate mõõtmetena. Ta tunnes noorpõlvest alates kahtlemata kahekohalise numbrisüsteemi ja mõistis, et see sobib palju paremini digitaalsete lülitite sisse/veel välja struktuuri kui tuttavad kümnendsüsteemi numbrid. Seetõttu otsustas ta ehitada biitmasina. Ja lõpuks otsustas ta, et selleks, et see oleks kõige kiirem ja paindlikum, peab see olema elektrooniline ja kasutama arvutustes elektronlampi.

Atanasov pidi ka ülesannete ruumi määratlema — milliste arvutuste jaoks pidi tema arvuti sobima? Lõpuks otsustas ta, et tegeleb lineaarsete võrrandite süsteemide lahendamisega, vähendades need ühe muutuja tasemele (kasutades Gaussi meetodit) — selliste arvutustega, mis olid tema väitekirjas domineerivad. Ta võiks toetada kuni kolmkümmend võrrandit, kuni kolmkümmend muutujat igas. Selline arvuti suudaks lahendada teadlaste ja inseneride jaoks olulisi probleeme, olles samas siiski mitte ülemäära keeruline.

Kunstiteos

1930. aastate keskpaigaks oli elektroonika tehnoloogia palju mitmekesisem kui 25 aastat tagasi. Kaks arendust sobisid Atanasovi projekti jaoks eriti hästi: relêtriger ja elektrooniline loendur.

Alates XIX sajandist olid telegraafi ja telefoni inseneridel kasutada mugav seade nimega lüliti. Lüliti on bistabiilne relee, mis kasutab püsimaagneteid oma seisundi hoidmiseks — kas avatud või suletud — seni, kuni see ei saa elektrisignaali seisundi vahetamiseks. Kuid elektronlampidel ei olnud sellist võimet. Need ei sisaldanud mehhanilisi komponente ja võisid olla „avatud” või „suletud”, sõltumata sellest, kas elekter voolas või ei voolanud ringis. Aastal 1918 sidusid kaks Briti füüsikut, William Eccles ja Frank Jordan, kaableid kahe lambi nii, et saadi „relee-triger” — elektrooniline relee, mis jäi pidevalt sisse, kui seda aktiveeriti algse impulsi kaudu. Eccles ja Jordan lõid oma süsteemi telekommunikatsiooni eesmärkidel Briti admiraliteedi jaoks Esimese maailmasõja lõpus. Kuid Eccles-Jordani ringi, hiljem tuntud kui triger [ingl. flip-flop], saab vaadelda ka kui seadmeid binaarsete numbrite salvestamiseks — 1, kui signaal edastatakse, ja 0 muudel juhtudel. Nii oli n trigeri kaudu võimalik esitada binaarnumbrit n bittides.

Umbes kümme aastat pärast trigerit toimus teine suur mööndus elektroonikas, mis puutus kokku arvutite maailmaga: elektronloendurid. Ja taas, nagu sageli varases arvutite ajaloos, sai igavustest ema leiutamisele. Füüsikud, kes uurisid subatomaarsete osakeste kiirgust, pidid kas kuulama popsavaid helisid või tundide kaupa uuringus fotograafilisi salvestusi, lugedes avastuste arvu osakeste kiirusest erinevate ainete kaudu. Mehaanilised või elektromehaanilised loendurid pakkusid ahvatlevat võimalust nende tegevuste lihtsustamiseks, kuid need liikusid liiga aeglaselt: nad ei suutnud registreerida paljusid sündmusi, mis juhtusid millisekundiliste vahedega.

Selle probleemi lahendamisel oli võtmefiguur Charles Eric Wynn-Williams, töötades Ernesti Rutherfordi juhtimisel Cambridge'i Cavendishi laboratooriumis. Wynn-Williams oskas elektroonikaga suurepäraselt ümber käia ja oli juba kasutanud lampide (või klappide, nagu neid Suurbritannias nimetati) abil võimendite loomiseks, millega sai kuulda, mis osakestega toimumas oli. 1930. aastate alguses taipas ta, et klappe saab kasutada arvesti loomiseks, mida ta nimetas "binaarskaali arvestiks" — see tähendab binaarse arvesti. Põhimõtteliselt oli see rida lüliteid, mis suudaks edastada üleminekud ahelas (praktikas kasutas ta tiira-tronid, lampide tüübid, mis sisaldasid mitte vaakumit, vaid gaasi, mis suutis jääda sisse lülitatuks pärast täielikku gaasi ioniseerimist).

Wynn-Williamsi arvesti sai kiiresti hädavajalikuks laboriseadmeks kõigile, kes tegelesid osakestefüüsikaga. Füüsikud konstrueerisid väga väikeseid arvestid, mis sisaldasid sageli kolme numbrit (see tähendab, et nad suudaksid lugeda kuni seitsme). Seda oli piisavalt, et luua puhvrit aeglase mehaanilise arvesti jaoks ning sündmuste registreerimiseks, mis toimusid kiiremini kui arvesti suudaks mehaaniliste osade aeglaste liikumiste tõttu registreerida.

Elektrooniliste arvutite ajalugu, osa 1: proloog

Kuid teoorias oleks neid arvesteid võimalik laiendada suvalise suuruse või täpsuseni. Need olid rangelt öeldes esimesed digitaalsed elektroonilised arvestusmasinad.

Atanasovi-Berry arvuti

Atanasov oli tuttav selle looga, mis kinnitas tema usku elektroonilise arvuti ehitamise võimalikkusesse. Kuid ta ei kasutanud otseselt binaarseid arve või lüliteid. Alguses üritas ta kasutada veidi muudetud arve – mis see on, kui mitte korduv loendamine? Kuid mingil põhjusel ei suutnud ta luua arvestusringid piisavalt usaldusväärseks ja tal tuli välja töötada oma liitmise ja korrutamise skeemid. Ta ei saanud kasutada lüliteid binaarnumbrite ajutiseks salvestamiseks, kuna tal oli piiratud eelarve ja pandud ambitsioonikas eesmärk kolmekümne koefitsiendi samaaegseks salvestamiseks. Nagu me peagi näeme, oli sellel olukorral tõsised tagajärjed.

Aastaks 1939 lõpetas Atanasov oma arvuti projekteerimise. Nüüd vajas ta inimest, kellel olid sobivad teadmised selle ehitamiseks. Ta leidis sellise inimese Iowa osariigi inseneriteaduskonna lõpetaja Clifford Berry näol. Aasta lõpuks ehitasid Atanasov ja Berry väikese prototüübi. Järgmisel aastal lõpetasid nad arvuti täieliku versiooni, millel oli kolmkümmend koefitsienti. 1960. aastatel nimetas ajaloolane, kes nende lugu uuris, seda Atanasovi-Berry arvutiks (Atanasoff-Berry Computer, ABC), ja nimi jäi. Kuid kõiki puudusi ei õnnestunud kõrvaldada. Eriti oli ABC-l viga umbes ühes binaarses numbris 10 000 kohta, mis mistahes suure arvutuse puhul oleks olnud määrav.

Elektrooniliste arvutite ajalugu, osa 1: proloog
Clifford Berry ja ABC 1942. aastal

Kuid Atanasovi ja tema ABC-st võib leida kõigi kaasaegsete arvutite juured ja allika. Kas ta (Berry osava abiga) ei loonud esimest binaarset elektroonilist digitaalset arvutit? Kas see ei ole miljonite seadmete põhijooned, mis kujundavad ja juhivad majandust, ühiskonda ja kultuuri kogu maailmas?

Aga naaseme tagasi. Täiendavad omadused 'digitaalne' ja 'binaarne' ei ole ABC-le omased. Näiteks Bell'i kompleksarvude arvuti (Bell Complex Number Computer, CNC), mis töötati välja umbes samal ajal, oli digitaalne, binaarne, elektromehaaniline arvuti, mis suutis teostada arvutusi kompleksplaanis. Samuti olid ABC ja CNC sarnased selles, et lahendasid piiratud valdkonnas ülesandeid ja ei saanud, erinevalt tänapäevastest arvutitest, vastu võtta suvalist käskluste jada.

Küsimus jääb: 'elektrooniline'. Kuid kuigi ABC matemaatilised koostisosad olid elektroonilised, töötas ta elektromehaanilistest kiirusest. Kuna Atanasov ja Berry ei saanud rahaliste põhjuste tõttu kasutada elektronlampide abil tuhandete binaarnumbrite salvestamiseks, kasutasid nad selleks elektromehaanilisi komponente. Mõned sadakond triode, mis teostasid põhikalkulatsioone, olid ümbritsetud pöörlevate trumlite ja sumisevate perforeerimismasinate poolt, kus hoiti kõikide arvutuste vahe väärtusi.

Atanasov ja Berry tegid kangelasteod, lugedes ja kirjutades andmeid perforatsioonikaardile erakordselt kiiresti, põletades neid elektriga, selle asemel et need mehaaniliselt läbi augutada. Kuid see tõi kaasa omad probleemid: just põletusseade vastutas 1 vea 10000 numbri kohta. Veelgi enam, isegi nende kõigi pingutuste juures ei suutnud masin "läbistada" kiiremini kui üks rida sekundis, mistõttu ABC suutis teha vaid ühe arvutuse sekundis iga kolmekümne aritmeetilise seadmega. Ülejäänud aja veetsid elektronlampid töötuks, kannatlikult "sõrmi lauale koputades", samal ajal kui kogu see masin haruldaselt aeglaselt nende ümber pöördus. Atanasov ja Berry sidusid tõulise hobuse heina kärusse. (ABC taastamise projekti juht 1990ndatel hindas masina maksimaalset kiirus, arvestades aega, sealhulgas operaatori aega ülesande seadmiseks, viie liitmise või lahutamise sekundis. See on muidugi kiiremini kui inimearvuti, kuid ei ole see kiirus, mida seostame elektrooniliste arvutitega.)

Elektrooniliste arvutite ajalugu, osa 1: proloog
ABC skeem. Rullikud hoidsid ajutist sisendi ja väljundi kondensaatorites. Tiratrontootmise skeem kaardilöökide jaoks ning kaardilugeja salvestasid ja lugesid terve algoritmi töö sammu tulemusi (eemaldades ühe muutuja süsteemi võrranditest).

Tööd ABC kallal seiskusid 1942. aasta keskel, kui Atanasov ja Berry kutsuti kiiresti kasvavasse Ameerika Ühendriikide sõjaväesse, kus nõuti mitte ainult keha, vaid ka mõistust. Atanasov kutsuti Washingtoni mereartüleri laborisse, et juhendada meeskonda, mis töötas välja akustilisi miine. Berry abiellus Atanasovi sekretäriga ja leidis endale töö Kalifornias, ettevõttes, mis oli sõjaväe lepingupartner, et vältida sõjaväkke minemist. Atanasov üritas mõnda aega oma leiutist Iowas patendeerida, kuid tulutult. Pärast sõda tegeles ta muude asjadega ja ei pöördunud enam tõsiselt arvutite poole. Ise arvuti visati 1948. aastal prügisse, et teha kontoris ruumi uuele lõpetajale.

Võib-olla hakkas Atanassov lihtsalt liiga vara tööle. Ta tugines tagasihoidlikele ülikoolitoetustele ja sai ABC loomisele kulutada vaid paar tuhat dollarit, mistõttu muutus kokkuhoid tema projektis peamiseks probleemiks. Kui ta oleks oodanud kuni 1940. aastate alguseni, oleks ta võinud saada valgovernmenti toetuse täisfunktsionaalse elektroonilise seadme jaoks. Selles seisundis — piiratud rakenduse, keerulise juhtimise, ebausaldusväärse ja mitte eriti kiire seadmena — ei olnud ABC palju lubav reklaam elektrooniliste arvutite kasulikkusest. Ameerika sõjaväeline masin, vaatamata kogu arvutusnäljale, jättis ABC roostetama Iowas Amesi linnas.

Sõjanduse arvutimasinad

Esimene maailmasõda lõi ja käivitas tohutu teadus- ja tehnoloogiainvesteeringute süsteemi ning valmistas selle ette Teiseks maailmasõjaks. Ainult paar aastat hiljem läks maasõda ja meresõda üle mürgigaasi, magnetmiinide, õhuluure ja pommitamise ning muu sellise kasutamisele. Ükski poliitiline ega sõjaline juht ei saanud selliseid kiireid muutusi tähelepanuta jätta. Need olid nii kiired, et varakult alustatud uurimistööd võisid kalduda tasakaalu ühele või teisele poole.

USA-s oli piisavalt materjale ja mõtteid (paljusid neist oli põgenenud Hitleri Saksamaalt), ja nad ei olnud seotud otseste ellujäämis- ja domineerimisvõitlustega, mis puudutasid teisi riike. See võimaldas riigil seda õppetundi eriti selgelt õppida. See avaldus selles, et ulatuslikud tööstuslikud ja intellektuaalsed ressursid pandi esmakordse tuumarelvade loomisele. Vähem tuntud, kuid mitte vähem oluline ja vähem ulatuslik investeering oli panustamine radaritehnoloogia väljatöötamisse, mille keskus asus MIT-is Rad Lab-is.

Nii sai ka arenev automatiseeritud arvutamise valdkond oma jagu sõjalist rahastamist, kuigi palju väiksemas ulatuses. Oleme juba märkinud sõjast tingitud erinevaid elektromehaanilisi arvutusprojekte. Rellidel põhinevate arvutite potentsiaal oli suhteliselt tuntud, kuna telefonijaamad, kus töötas tuhandeid releesid, olid juba aastaid toiminud. Elektroonilised komponendid ei olnud veel tõestanud oma töökindlust sellistes mõõtkavades. Enamik ekspertidest arvas, et elektrooniline arvuti tuleb olema hädavajalikult ebastabiilne (ABC oli näide) või et selle ehitamine võtab liiga kaua aega. Hoolimata äkilisest riiklikust raha voolust, oli sõjaliste elektrooniliste arvutiprojektide arv väike ning need olid haruldased. Käivitatud oli vaid kolm, ja neist ainult kaks viisid töötavate masinate valmimiseni.

Saksamaal tõestas telekommunikatsiooninsener Helmut Shreier oma sõbrale Konrad Zuse'ile elektroonilise masina väärtust võrreldes elektromehaanilise 'V3'-ga, mida Zuse ehitas õhusuuna jaoks (tulevikus tuntud kui Z3). Zuse nõustus lõpuks töötama teise projekti kallal koos Shreieriga, ning Lennutehnika Uuringute Instituut pakkus rahastama 100 lambi prototüüpi 1941. aasta lõpus. Kuid esmalt keskendusid nad prioriteetsemale sõjaväetööle, ja nende töö edenes järsult kahanenud, kuna rünnakud põhjustasid kahjustusi, mistõttu nad ei suutnud oma masinat usaldusväärselt tööle panna.

Elektrooniliste arvutite ajalugu, osa 1: proloog
Zuse (paremal) ja Shreier (vasakul) töötavad elektromehaanilise arvuti kallal Zuse vanemate Berliini korteris

Esimene elektrooniline arvuti, mis täitis kasulikke ülesandeid, loodi salajases laboris Suurbritannias, kus telekommunikatsiooninsener pakkus uut radikaalset lähenemist krüptoanalüüsile, mis põhines ventiilidel. Selle loo avame järgmises osas.

Lisaks lugemiseks:

• Alice R. Burks ja Arthur W. Burks, Esimene elektrooniline arvuti: Atansoffi lugu (1988)
• David Ritchie, The Computer Pioneers (1986)
• Jane Smiley, Mees, kes leiutas arvuti (2010)

Allikas: habr.com