Ajalugu elektroonilistest arvutitest, osa 1: proloog

Teised tsükli artiklid:

• Rela ajalugu
  • Kiire teabe edastamise meetod ehk relee tekkimine
  • Kaugréle
  • Galvanism
  • Ettevõtjad
  • Ja lõpuks, relee
  • Rääkiv telegraaf
  • Lihtsalt ühendamine
  • Unustatud rälitsid kompuutritest
  • Elektriaeg
• Elektriliste kompuutrite ajalugu
  • Proloog
  • Kolloss
  • ENIAC
  • Elektriline revolutsioon
• Transistori ajalugu
  • Käies pimeduses tunde järgi
  • Sõjakooretest
  • Korduv leiutamine
• Interneti ajalugu
  • Tugivõrk
  • Lagunemine, osa 1
  • Lagunemine, osa 2
  • Interaktiivsuse avamine
  • Interaktiivsuse laiendamine
  • ARPANET — algus
  • ARPANET — pakett
  • ARPANET — alamvõrk
  • Arvuti kui sidevahend
  • Interneti ajalugu: võrguühendus

Nagu me nägime eelmisel artiklil, raadioside ja telefonitehnika insenerid otsides võimsamaid võimendajaid avastasid uue tehnoloogilise valdkonna, mida hakati kiiresti kutsuma elektroonikaks. Elektroonilist võimendajat saadi kergesti muuta digitaalseks lülitiks, mis töötas palju suurema kiirusena kui tema elektromehaaniline sugulane — telefonirelee. Kuna elektroonilisel lambil polnud mehaanilisi osi, sai seda sisse ja välja lülitada mikrosekundi või isegi kiiremini, mitte kümnete millisekundite või rohkem, nagu relai nõudis.

1939. aastast 1945. aastani loodi nende uute elektrooniliste komponentide põhjal kolm arvutit. Nende ehitamise kuupäevad langevad kokku Teise maailmasõja perioodiga. See konflikt — ainulaadne ajaloos selle poolest, kuidas see sundis inimesi sõjakaariku orjusse — muutis igaveseks suhteid nii riikide vahel kui ka teaduse ja tehnoloogia vahel, ning tõi maailma palju uusi seadmeid.

Kolm esimest elektroonilist arvutit on seotud sõjaga. Esimene neist oli pühendatud saksa sõnumite dekodeerimisele ja jäi salajasemaks kuni 1970. aastateni, kui see ei olnud enam huviobjekt, välja arvatud ajaloolise tähenduse tõttu. Teiseks, millest enamik lugejatest peaks olema kuulnud, oli ENIAC, sõjaline kalkulaator, mis valmis liiga hilja, et sõda aidata. Aga siin vaatleme kolme masina varaseimat, lasetehtud John Vincent Atanasovit.

Atanasov

1930. aastal saavutas Atanasov, Ameerikas sündinud immigrantide poeg Ottomani Bulgaaria, lõpuks oma nooruslikke unistusi ja sai teoreetiliseks füüsikuks. Kuid nagu enamik sellsamaaliseid püüdlusi, osutus reaalsus palju erinevaks, kui ta ootas. Eriti, nagu enamik inseneri- ja füüsikateaduse üliõpilasi 20. sajandi esimesel poolel, pidi Atanasov kannatama pidevate arvutuste vaevade all. Tema doktoritöö Wisconsin'i ülikoolis heeliumi polariseerimise kohta nõudis kaheksanädalaseid igavaid arvutusi mehaanilise lauakalkulaatori abil.

John Atanasoff nooruses

Aastaks 1935, olles juba saanud Iowa osariigi ülikooli professoriks, otsustas Atanasoff millegagi selle koormaga tegeleda. Ta hakkas kaaluma võimalusi uue, võimsama arvuti ehitamiseks. Ta loobus analoogmeetoditest (nt MIT erineva analüsaatori tõttu piirangute ja ebatäpsuse tõttu) ning otsustas ehitada digitaalse masina, mis töötaks numbritega eraldi väärtustena, mitte pidevate mõõtmetena. Ta oli noorpõlvest tuttav binaarsüsteemiga ning mõistis, et see sobib palju paremini sisse/välja digitaalsete lülitite struktuuri, kui tuttavad kümnendsüsteemi numbrid. Seetõttu otsustas ta ehitada binaarset masinat. Lõpuks otsustas ta, et selle maksimaalse kiirus ja paindlikkus peaks olema elektrooniline ning kasutada arvutustes elektronlampide.

Atanasov pidi kindlaks teha ka ülesannete ruum — milliste täpsete arvutuste jaoks pidi tema arvuti olema sobiv? Lõpuks otsustas ta, et tegeleb lineaarsüsteemide lahendamisega, viies need ühe muutujani (kasutades Gaussi meetodit) — selliseid sama tüüpi arvutusi, mis olid domineerivad tema väitekirjas. Ta kavatseb toetada kuni kolmekümne võrrandi ja kuni kolmekümne muutuja kasutamist. Selline arvuti võiks lahendada teadlastele ja inseneridele olulisi ülesandeid, olles samas mitte eriti keeruline.

Kunstiteos

1930. aastate keskpaiku oli elektroonikatehnoloogia võrreldes 25 aastat tagasi alguse saanud mitmekesisusega saavutatud tohutu areng. Kaks leiutist sobisid eriti hästi Atanasovi projektiga: relee-trigger ja elektrooniline loendur.

Alates 19. sajandist olid telegraafi ja telefoni inseneridel käsutuses mugav seade nimega lüliti. Lüliti on bistabiilne reljeef, mis kasutab püsinukke, et hoida seda seisundis, milles te selle jätsite — avatud või suletud — kuni see saab elektrisignaali, et olekud vahetada. Kuid elektronlampidel polnud sellele võimet. Neil polnud mehaanilist komponenti ning need võisid olla "avatud" või "suletud" seni, kuni elekter voolas või ei voolanud ringlusest. 1918. aastal ühendasid kaks Briti füüsikut, William Eccles ja Frank Jordan, juhtmete abil kaks lampi niimoodi, et tekkis "reljeef-triggere" — elektrooniline reljeef, mis jäi pärast käivitamist pidevalt sisse. Eccles ja Jordan lõid oma süsteemi telekommunikatsiooni eesmärkidel Briti admiraliteedi jaoks Esimese maailmasõja lõpus. Kuid Eccles-Jordani ringlust, hiljem tuntud kui triggere [inglise keeles flip-flop], võis käsitleda ka seadmena, mis salvestab kahteliste numbreid — 1, kui signaal edastatakse, ja 0 vastasel juhul. Nii sai läbi n triggere esitada kahtelise arvu n bittides.

Kümme aastat pärast käivitushetke leidis aset teine tõsine läbimurre elektroonikas, mis jõudis arvutimaailma: elektroonilised loendurid. Ja taas, nagu sageli juhtub arvutite varajases ajaloos, sai igavusest leiutamise ema. Füüsikud, kes uurisid subatomaarsete osakeste kiirgust, pidid kas kuulama klõpse või tundide viisi uurima fotodokumente, lugedes leidude arvu, et mõõta osakeste kiirguse kiirus erinevate ainete kaudu. Mehaanilised või elektromehaanilised loendurid pakkusid ahvatlevat võimalust nende tegevuste hõlbustamiseks, kuid nende kiirus oli liiga madal: nad ei suutnud registreerida suurt hulka sündmusi, mis juhtusid millisekundite vahedega.

Probleemi lahendamise võtmeisikuks sai Charles Eril Wynn-Williams, kes töötas Ernesti Rutherfordi juhendamisel Cambridge'i Cavendishi laboris. Wynn-Williams oskas elektroonikaga hästi ümber käia ja oli juba kasutanud lampe (või ventiile, nagu neid Briti keeles nimetatakse) võimendite loomiseks, millega sai kuulda osakeste sündmusi. 1930-ndate alguses sai ta aru, et ventiile saab kasutada loenduri loomiseks, mille ta nimetas „binaarsete skaala loenduri“ — see tähendab binaarset loenduri. Sisuliselt oli see komplekt trikke, mis suudavad edastada lülitusi ülespoole ahelas (praktiliselt kasutas ta tiraatrone, lampide tüübid, mis ei sisalda vaakumit, vaid gaasi, mis võis jääda sisse lülitatud olekusse pärast täielikku ioniseerimist).

Wynn-Williamsi loendur sai kiiresti vajalikuks laboriseadmeks kõigile, kes tegelesid osakeste füüsikaga. Füüsikud ehitasid väga väikseid loendureid, mis sisaldasid sageli kolme numbrit (st suudavad lugeda kuni seitsmeni). Seda oli piisavalt puhversalvri loomiseks. aeglasti mehaanilise loenduri ja sündmuste salvestamiseks, mis toimuvad kiiremini, kui loendur saab neid aeglaselt liikuvate mehaaniliste osadega registreerida.

Kuid teooria kohaselt saadi selliseid loendureid laiendada suvaliste suuruste või täpsusega numbriteni. Need olid toona esimesed digitaal-elektroonilised loendamismasinad.

Atanasovi–Berry arvuti

Atanasov oli selle looga tuttav, mis veenis teda elektroonilise arvuti ehitamise võimaluses. Kuid ta ei kasutanud otseselt binaarseid loendureid ega trigeere. Esialgu üritas ta oma loendussüsteemi aluseks kasutada veidi muudetud loendureid — mis on liitmine, kui mitte korduv loendamine? Kuid mingil põhjusel ei suutnud ta luua piisavalt usaldusväärseid loendusringe, mistõttu pidi ta arendama oma liitmise ja korrutamise skeeme. Ta ei saanud trigeere kasutada binaarnumrite ajutiseks salvestamiseks, kuna tema eelarve oli piiratud, ja tal oli seatud ambitsioonikas eesmärk korraga salvestada kolmkümmend koefitsienti. Nagu me varsti näeme, oli sellel olukorral tõsised tagajärjed.

1939. aastaks oli Atanasov lõpetanud oma arvuti projekteerimise. Nüüd vajas ta inimest, kellel olid sobivad teadmised selle ehitamiseks. Ta leidis sellise inimese Iowa osariigi inseneriosakonna lõpetajast nimega Clifford Berry. Aasta lõpuks olid Atanasov ja Berry ehitanud väikese prototüübi. Järgmisel aastal lõpetasid nad arvuti, millel oli kolmkümmend koefitsienti. 1960. aastatel, nende loo avastanud autor nimetas seda Atanasovi-Berry arvutiks (Atanasoff-Berry Computer, ABC) ja nimi jäi püsima. Siiski ei õnnestunud algupäraseid puudusi täielikult kõrvaldada. Eelkõige andis ABC umbes ühe vea 10000 binaarset numbrit, mis oleks igasuguste suuremate arvutuste jaoks saatuslik.

Clifford Berry ja ABC 1942. aastal

Siiski võib Atanasovis ja tema ABC leida kõigi kaasaegsete arvutite juured ja allika. Kas ta ei loonud (Berry osava abi toel) esimest binaarset elektroonilist digitaalset arvutit? Kas need ei ole mitte põhijooned miljardites seadmetes, mis kujundavad ja juhivad meie majandust, ühiskonda ja kultuuri üle kogu maailma?

Aga pöördume tagasi. Digitaalsed ja binaarsed omadused ei olnud ainult ABC eripära. Näiteks Bell'i kompleksnumbrite arvuti (Bell Complex Number Computer, CNC), mis loodi umbes samal ajal, oli digitaalne, binaarne ja elektromehaaniline arvuti, mis suutis teostada arvutusi kompleksplaanil. Samuti oli ABC ja CNC sarnased selles, et nad lahendasid probleeme piiratud valdkonnas ja ei saanud, erinevalt tänapäeva arvutitest, vastu võtta suvalist juhiste järjestust.

Jäänud on vaid „elektrooniline”. Kuid kuigi ABC matemaatilised sisemused olid elektroonilised, töötas see elektromehaaniliste kiirusetega. Kuna Atanasov ja Berry ei saanud rahaliste põhjuste tõttu kasutada elektronkube, et salvestada tuhandeid binaare, kasutasid nad selleks elektromehaanilisi komponente. Mitmed sajandid triode, mis teostasid peamisi matemaatilisi arvutusi, olid ümbritsetud pöörlevate rullide ja surisevate perforeerimismasinate poolt, kus hoiti kõigi arvutusprotsesside vaheväärtusi.

Atanasov ja Berry tegid kangelaslikku tööd andmete kaardile lugemise ja salvestamise osas, põletades neid elektri abil, selle asemel et mehhaaniliselt auke teha. Ent see tõi kaasa oma probleemid: just põletusseade vastutas 1 vea 10 000 numbri kohta. Veelgi enam, isegi kõige rohkem nende pingutustega ei suutnud masin "puurida" kiiremini kui üks rida sekundis, mistõttu ABC suutis teostada vaid ühe arvutuse sekundis igas kolmes kümnes aritmeetikas seadmes. Ülejäänud aja elektronlampide ootasid, kannatamatult "sõrmi laual trummeldades", samal ajal kui kogu see masinavärg tõmbas vaevaliselt nende ümber. Atanasov ja Berry kinnitasid puhta tõugu hobuse heina käru külge. (1990ndate aastate ABC rekonstrueerimise projekti juht hindas masina maksimaalset kiirus, arvestades kogu aja kulutamist, sealhulgas operaatori tööülesande määramisel, viie liitmise või lahutamise sekundi kohta. See on muidugi kiiremini kui inimese-arvutaja, kuid mitte see kiirus, mida seostame elektrooniliste arvutitega.)

ABC skeem. Rullikud salvestasid ajutist sisendit ja väljundit kondensaatorites. Tyratron e lõhkemisharu kaartide lugemine ja kuvamine salvestas ning luges algoritmi täiustatud etapi tulemusi (kui üks muutuja eemaldatakse võrrandite süsteemist).

Töö ABC kallal peatus 1942. aasta keskel, kui Atanasov ja Berry astusid kiiresti kasvavasse Ameerika Ühendriikide sõjaväesse, kus vajasid mitte ainult kehasid, vaid ka mõtteid. Atanasov kutsuti Washingtoni mereartilleri laborisse, et juhtida meeskonda, mis arendas akustilisi miine. Berry abiellus Atanasovi sekretäri ja leidis endale töö Kalifornias sõjaväele lepingut täitvas ettevõttes, et mitte sõduriks kutsuda. Atanasov püüdis mõnda aega oma leiutist patentida Iowa osariigis, kuid tulutult. Pärast sõda asus ta muudele asjadele, ja enam ei tegelenud tõsiselt arvutitega. Ise arvuti visati 1948. aastal prügisse, et vabastada kontoris ruumi uue institutsiooni lõpetaja jaoks.

Võib-olla alustas Atanasov lihtsalt liiga vara. Ta toetus tagasihoidlikele ülikoolialustele, ning suutis ABC loomisele kulutada vaid paar tuhat dollarit, seetõttu tõrjus kokkuhoid kõik muud projektiga seotud probleemid. Kui ta oleks oodanud 1940. aastate alguseni, oleks ta võinud saada riikliku toetuse täieõiguslikule elektroonilisele seadmele. Ja sellises seisukorras — piiratud kasutusega, keerulise juhtimisega, ebausaldusväärne, mitte eriti kiire — ei saanud ABC kunagi paljutõotavaks reklaamiks elektrooniliste arvutuste kasulikkusest. Ameerika sõjamasin, hoolimata kogu arvutuslikust näljast, jättis ABC rooste koguma Iowas Amesi linnas.

Sõja arvutimasinad

Esimene maailmasõda lõi ja käivitas massilise investeerimisprogrammi teadusesse ja tehnoloogiasse, valmistades seda ette teiseks maailmasõjaks. Ainuüksi mõne aastaga ülemineku sõjapidamisest maapinnal ja merel hõlmasid selliste meetodite kasutamist nagu mürgigaase, magnetkaeve, õhuluure ja pommitamine jne. Ükski poliitiline ega sõjaväeline juht ei saanud neid kiireid muudatusi märkamata jätta. Need olid nii kiired, et varakult alustatud teadusuuringud võisid kalduda kaalu ühele või teisele poole.

Ameerikas oli piisavalt materjale ja mõtteid (paljud neist põgenesid Hitleri Saksamaa eest) ning nad ei olnud otseses ellujäämismängus ja domineerimise eest võitlemises, mis mõjutas teisi maid. See võimaldas riigil seda õppetundi eriti selgelt õppida. See kajastus laialdastes tööstuslikes ja intellektuaalsetes ressurssides, mis suunati esimese aatomipommi loomisele. Vähem tuntud, kuid mitte vähem oluline või väiksema mahuga investeering oli investeerimine radaritehnoloogia väljaarendamisse, mille keskus asus MITi Rad Labis.

Nii sai alguse automatiseeritud arvutuste valdkond, mis sai oma osa sõjaväefinantseerimisest, kuigi palju väiksemas mahus. Oleme juba toonitanud sõda põhjustatud elektromehaaniliste arvutusprojektide mitmekesisust. Rellekpõhiste arvutite potentsiaal oli selgelt tuntud, kuna telefonijaamad, kus töötas tuhandeid releesid, olid juba aastaid töös. Elektroonilised komponendid ei olnud veel tõestanud oma töökindlust sellisel tasemel. Suurem osa eksperte arvas, et elektronarvuti on paratamatult ebausaldusväärne (ABC oli näide) või selle ehitamine võtab liiga kaua aega. Malepresendiga rahastatud sõjaväe elektrooniliste arvutuste projekte oli vähe ja need olid haruldased. Käivitatud oli kokku kolm, millest vaid kaks viisid töökindlate masinate valmimiseni.

Saksamaal tõestas telekommunikatsiooniinsener Helmut Schreyer oma sõbrale Konrad Zuse'le elektroonilise masina väärtust mehaanilise "V3" ees, mille Zuse ehitas õhu- ja kosmosetööstusele (hiljem tuntud kui Z3). Lõpuks nõustus Zuse tööle asuma Shreyeri teise projekti kallal ning Londoni teadusasutus pakkus 1941. aasta lõpus 100 lambist prototüübi rahastamist. Kuid mehed tegelesid alguses esmaste sõjaliste ülesannetega ja hiljem aeglustas nende tööd oluliselt pommitamine, mille tõttu nad ei suutnud oma masinat usaldusväärselt tööle panna.

Zuse (paremal) ja Schreyer (vasakul) töötavad elektromehaanilise arvuti kallal Zuse vanemate Berliini korteris.

Esimene elektrooniline arvuti, mis täitis kasulikku ülesannet, loodi Briti salajases laboris, kus telekommunikatsiooniinsener pakkus välja uue radikaalse lähenemise krüptanalüüsile, mis põhines klappidel. Selle loo avame järgmisel korral.

Mida veel lugeda:

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

Allikas: habr.com