Meie käsitleme automaatsete telefonivahetuste õitsemist, mida juhtisid relée skeemid. Seekord tahame rääkida, kuidas teadlased ja insenerid töötasid välja relée skeeme esimeses - nüüdseks unustatud - digitaalsete arvutite põlvkonnas.
Relé tipphetk
Kui mäletate, põhineb relé töö lihtsal põhimõttel: elektromehaaniline seadeldis juhib metallist lülitit. Relé ideed pakkusid 1830. aastatel iseseisvalt mitmed loodusteadlased ja telegraafiettevõtete ettevõtjad. Seejärel 19. sajandi keskajal muutsid leiutajad ja mehhaanikud relé usaldusväärseks ja asendamatuks komponentiks telegraafivõrkudes. Just siin, relé elukäik saavutas tipphetke: seda miniaturiseeriti ning inseneride põlvkonnad lõid tohutul hulgal konstruktsioone, ametlikult õppides matemaatikat ja füüsikat.
20. sajandi alguses sisaldasid automaatsete lülitussüsteemide kõrval praktiliselt kõik telefonivõrkude seadmed erinevaid relé tüüpe. Üks kõige varasemaid telefonikõnede rakendusi ulatub 1870. aastatesse käsitsi lülitites. Kui abonent keerutas telefoni käepidet (magneto käepidet), tuli signaal telefonijaama, mis aktiveeris bänkeri. Bänker on relé, mille aktiveerimisel telefoniteenindaja lüliti laual langetas metallkatte, mis näitas sisse tulevat kõnet. Siis pistis teenindaja pistiku pesasse, relé naasis oma eelmisse olekusse, võimaldades uuesti tõsta katet, mida sellel positsioonil hoidis elektromehaaniline seade.
Aastaks 1924, nagu kirjutavad kaks Bell'i inseneri, teenindas tüüpiline käsitsi telefonijaam umbes 10 000 abonenti. Selle seadmes oli 40-65 tuhat relé, mille kogumagnetjõud oli 'piisav 10 tonni tõstmiseks'. Suurtes telefonijaamades automaatsete lülititega korrutati neid omadusi kahega. Kogu Ameerika Ühendriikide telefonisüsteemis kasutati miljoneid relé, ja nende arv pidevalt suurenes telefonijaamade automatiseerimisega. Ühte telefonikõnet võis teenindada ühest kuni mitme saja reléni - sõltuvalt kaasatud telefonijaamade arvust ja varustusest.
Western Electric'i tehased, mis kuulusid Bell Corporation'i tootmisstruktuuri, tootsid tohutul hulgal releesid. Insenerid lõid nii palju variatsioone, et see mitmekesisus oleks kadeduseks isegi kõige nõudlikumatele koerakasvatajatele või postkastide kokkupanijatele. Relee töökiirus ja tundlikkus optimeeriti, suurused vähenesid. 1921. aastal valmistas Western Electric peaaegu 5 miljonit releed peamistes tüüpides. Kõige laiemalt levinud oli universaalne relee Type E, lame, peaaegu ristkülikukujuline seade, kaaludes paarikümneid gramme. Suurem osa sellest valmistati pressitud metallist osadest, st see oli tootmises tehnoloogiliselt arenenud. Korpus kaitses kontakte tolmu ja kõrvaliste vooludest, mis tekkisid naaberseadmete tõttu: tavaliselt paigaldati releed tihedalt üksteise külge, riiulitesse, kuhu mahtus sadu ja tuhandeid releesid. Kokku töötati välja 3000 erinevat Type E varianti, millest igaüks erines mähiste ja kontaktide konfiguratsiooniga.
Peagi hakati neid releesid kasutama kõige keerukamates switch'id.
Koordinaatswitch
1910. aastal tekkis Gotthilf Betulander'il, Royal Telegrafverket'i inseneril — riiklikul ettevõttel, mis kontrollis suure osa Rootsi telefoniturust (aastakümnete vältel peaaegu kogu turu) — idee. Ta uskuma, et saab Telegrafverket'i operatsioonide efektiivsust märgatavalt parandada automatiseeritud switch'ingusüsteemide ehitamisega, mis põhinevad täielikult releedel. Täpsemalt, releesüsteemidel, mis koosnevad terasvarrastest, mis on ühendatud telefoniliinidega, ja releedest varraste ristumiskohtades. Selline switch peaks töötama kiiremini, usaldusväärsemalt ja olema kergemini hooldatav kui libisevate või pöörlevate kontaktide süsteemid.
Lisaks leidis Betulander, et süsteemi elemendid, mis vastutavad valiku ja ühendamise eest, võiksid olla eraldi releeskeemid. Ja süsteemi ülejäänud osa tuleks kasutada ainult kõne kanali loomiseks, pärast mida vabastatakse see teise kõne teenindamiseks. Teisisõnu, Betulander jõudis ideeni, mida hiljem kutsuti „ühiseks juhtimiseks“ (common control).
Skeemi, mis hoiab sissetuleva kõne numbrit, nimetas ta "rekorderiks" (teine termin on "register"). Skeemi, mis leiab ruudustikus ja "märgib" saadaval oleva ühenduse, nimetas ta "markeriks". Autor patenteeris oma süsteemi. Selliseid jaamu ilmus Stockholmi ja Londoni. 1918. aastal kuulis Betulander Ameerika uuendusest: koordinaatkommutatorist, mille lõi insener Bell John Reynolds viis aastat tagasi. See kommutator sarnanes väga Betulanderi väljatöötatuga, kuid seal kasutati n + m releede hooldamiseks n + m matu riski sõlmede jaoks, mis oli telefonijaamade edasise laiendamise jaoks palju mugavam. Ühenduse loomisel surus hoidmisrell "sõrmed" klaverikeeltest kokku, samas kui valimisrell liikus matriisil teise kõne ühendamiseks. Järgmisel aastal rakendas Betulander selle idee oma kommutatori disaini.
Kuid enamik insenere pidas Betulanderi loomingut kummaliseks ja liialt keeruliseks. Kui tuli valida kommutatsioonisüsteem suurte Šveitsi linnade võrkude automatiseerimiseks, eelistas Telegrafverket Ericssoni ettevõtte välja töötatud konstruktsiooni. Betulanderi kommutatoreid kasutati vaid väikestes maa telefonijaamades: releed olid usaldusväärsemad kui Ericssoni kommutatorite mehaanilised automaatikad ja ei nõudnud igas jaamas teenindustehnikut.
Kuid Ameerika telefonitehnikud olid selle üle teisel arvamusel. 1930. aastal tulid Bell Labs'i spetsialistid Šveitsi ja olid "väga muljet avaldanud koordinaatkommutatsiooni mooduli parameetrite üle". Tagasi pöördudes hakkasid ameeriklased kohe töötama selle nimel, mis hiljem sai tuntuks "koordinaatsüsteem nr 1", asendades paneelkommutatorid suurtes linnades. Aastaks 1938 olid New Yorgis paigaldatud kaks sellist süsteemi. Peagi neist said linnade telefonijaamade standardvarustus, kuni rohkem kui 30 aastat hiljem asendasid need elektroonilised kommutatorid.
Koordinaatkommutatsiooni nr 1 kõige huvitavam komponent oli Bellis välja töötatud uus, keerulisem marker. See oli mõeldud vaba marsruudi leidmiseks helistajalt kõne vastu võtja juurde, mille kaudu loodi telefonikõne. Samuti pidi marker testima iga ühendust staatuse „vaba“/„tehtud” järgi. See nõudis tingimusloogika kasutamist. Nagu kirjutas ajaloohandler Robert Chapuis:
Valik on tingimuslik, kuna vaba ühendust säilitakse ainult siis, kui see tagab juurdepääsu koordinaatreelingule, millel on vaba väljund järgmisele tasemele. Kui mitu ühenduste komplekti vastavad vajalikele tingimustele, valib „prioriteetne loogika” ühe olemasolevatest vähese arvu ühendustest…
Koordinaatkommutator on suurepärane näide tehnoloogiate ideede vastastikku rikastamisest. Betulander lõi oma täielikult relee põhise kommutatori, seejärel täiustas seda Reynolds’i kommutatsioonimatriitsi abil ja tõestas saadud konstruktsiooni toimimist. AT&T insenerid töötasid hiljem selle hübriidkommutatori ümber, parandasid seda ja lõid koordinaatsüsteemi nr 1. Seejärel sai see süsteem kahe varase arvutimasina komponendiks, millest üks on tuntud kui verstapost arvutitehnika ajaloos.
Matemaatilised arvutused
Et mõista, kuidas ja miks releed ning nende elektroonilised sugulased aitasid kaasa arvutitehnika revolutsioonile, peame tegema lühikese ekskursiooni matemaatiliste arvutuste maailma. Pärast seda saab selgeks, miks tekkis varjatud nõudlus arvutusprotsesside optimeerimise järele.
20. sajandi alguseks põhines kogu kaasaegse teaduse ja inseneritegevuse süsteem tuhandete inimeste tööl, kes tegid matemaatilisi arvutusi. Nende kohta öeldi arvutid (computers) [Selleks, et vältida segadust, kasutatakse edaspidi terminit arvutajad. — Toim.] Juba 1820-ndatel aastatel lõi Charles Babbage (kuigi tema seadmel olid ideelised eelkäijad). Tema peamine ülesanne oli matemaatiliste tabelite koostamise automatiseerimine, näiteks navigatsiooni jaoks (trigonomeetriliste funktsioonide arvutamine polünoomsete lähendustega 0 kraadi, 0,01 kraadi, 0,02 kraadi jne). Samuti oli astronoomias suur nõudlus matemaatiliste arvutuste järele: tuli töötleda tooreid tulemusi teleskoobi vaatlustest kindlates taeva piirkondades (ilma sõltumatuse vaatlusaja ja kuupäeva osas) või määrata uute objektide orbiite (näiteks Halley komeet).
Babbage'i ajast alates on vajadus arvutusmasinate järele suurenenud mitmekordselt. Energiatootmisettevõtted pidid mõistma ülekandevõrkude käitumist, millel olid äärmiselt keerulised dünaamilised omadused. Bessemeri terasest tulekahurid, mis suudavad paisata projekte nurga taha (see tähendab, et tänu sihtmärkide otsesele vaatlemisele neid enam ei suunatud), nõudsid üha täpsemaid ballistilisi tabeleid. Uusi statistilisi tööriistu, mis hõlmasid suurt hulka matemaatilisi arvutusi (näiteks minimaalsete ruutude meetod), hakati laiemalt kasutama nii teaduses kui ka kasvavas riigiasutuses. Ülikoolides, valitsusasutustes ja tööstusettevõtetes loodi arvutiosakondi, kuhu tavaliselt värvati naisi.
Mehaanilised kalkulaatorid kergendasid arvutuste tegemise protsessi, kuid ei lahendanud seda. Kalkulaatorid kiirendasid aritmeetilisi operatsioone, kuid kõik keerukamad teaduslikud või inseneriülesanded nõudsid sadu või tuhandeid operatsioone, millest igaühe pidi teadlane (inimene) käsitsi läbi viima, hoolikalt üles kirjutades kõik vahepealsed tulemused.
Uute lähenemiste tekkimine matemaatiliste arvutuste probleemile oli tingitud mitmest tegurist. Noored teadlased ja insenerid, kes öösiti vaeveldsid oma ülesannete arvutamisega, soovisid anda oma kätele ja silmadele puhkust. Projekti juhid pidid järjest rohkem raha kulutama palgamaksmiseks paljudele arvutajatele, eriti pärast Esimest maailmasõda. Lõpuks olid paljud tipptasemel teadus- ja inseneriteemad raskesti käsitletavad manuaalselt. Kõik need tegurid viisid arvutimasinate seeria loomisele, mille kallal töötas Vannevar Bush, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT) elektriinsener.
Diferentsiaalanalüsaator
Kuni selle hetkeni oli ajalugu sageli üldistatud, kuid nüüd hakkame rohkem rääkima konkreetsetest inimestest. Kuulsus ei ulatunud paneelkommutatsiooni, E-tüüpi relee ja koordinaatmarkerite loojateni. Nendest pole säilinud isegi biograafilisi anekdoote. Ainsad avalikud tõendid nende elust on fossiilsed jäägid loodud masinatest.
Nüüd saame süvitsi liikuda inimeste ja nende minevikuga. Kuid me ei kohtu enam nendega, kes vaeva nägid pööningutel ja koduste ateljeedes — Morse, Weile, Bell ja Watson. Esimese maailmasõja lõpuks oli kangelaste leiutajate ajastu peaaegu lõppenud. Thomas Edisonit võib pidada üleminekufiguuriks: oma karjääri alguses oli ta palgatud leiutaja, kuid lõpuks muutus ta „leiutiste tehaste“ omanikuks. Selleks ajaks olid kõige silmapaistvamate uute tehnoloogiate väljatöötamine muutunud organisatsioonide — ülikoolide, korporatsioonide uurimisosakondade ja valitsuslaborite — pärusmaaks. Inimesed, kellest me selles osas räägime, kuulusid just sellistesse organisatsioonidesse.
Näiteks Veniwar Bush. Ta saabus MIT-sse 1919. aastal, olles 29-aastane. Veidi üle 20 aasta hiljem kuulus ta nende hulka, kes mõjutasid Ameerika Ühendriikide osalemist Teises maailmasõjas, ja aitas suurendada riiklikku rahastamist, mis muutis igaveseks suhteid valitsuse, akadeemilise maailma ja teadus- ja tehnoloogiarengu vahel. Kuid antud artikli raames huvitavad meid sõnumine masinad, mis loodi Bushi laboris 1920-ndate keskpaigast matemaatiliste arvutuste probleemide lahendamiseks.
MIT, mis hiljuti kolis Kesk-Bostonist Charlesi jõe äärde Cambridge'i, oli tihedalt seotud tööstuse vajadustega. Bushil endal oli lisaks professoritööle finantsnõudmised mitmes elektroonikaettevõttes. Seega ei tohiks teid üllatada, et probleem, mis tõi Bushi ja tema üliõpilased tööle uue arvutusseadmestiku kallale, tekkis energiatööstuses: tuli modelleerida kõrgepinge elektriliinide käitumist tiploadude tingimustes. Ilmselgelt oli see vaid üks paljusid võimalikke rakendusi arvutimasinate jaoks: väsitavaid matemaatilisi arvutusi viidi läbi kõikjal.
Bush ja tema kolleegid ehitasid kõigepealt kaks masinat, mida nimetati tootmisintegrafideks (product integraphs). Kuid MIT-i kõige tuntum ja edukam masin sai olema teine — diferentsiaalanalüsaator, mis valmis 1931. aastal. See lahendas elektrienergia edastamise probleeme, arvutas elektronide orbiite, kosmilise kiirguse trajektoore Maapinna magnetväljas ja palju muud. Uurijad üle kogu maailma, kellele oli vajalik arvutusvõimsus, lõid 1930. aastatel kümneid koopiaid ja variante diferentsiaalanalüsaatorist. Mõned — isegi Meccano'st (inglise vaste Ameerika laste ehituskomplektidele, mille nimi on ).
Diferentsiaalanalüsaator on analoogarvuti. Matemaatilised funktsioonid arvutati pöörlevate metallvardade abil, mille pöörlemiskiirus peegeldas mingit kvantitatiivset väärtust. Mootor käivitas sõltumatu varda — muutuja (tavaliselt tähendas see aega), mis omakorda pööras mehhaaniliste ühenduste kaudu teisi varraste (erinevad diferentsiaalmuutujad) ja sisenemise pöörlemiskiirusest arvutati funktsioon. Arvutamise tulemused joonistati paberile kõverate kujul. Kõige olulisemad komponendid olid integraatorid — rattad, mis pöördusid ketaste ümber. Integraatorid suutsid arvutada kõverate integraali ilma vaevata käsitsi arvutuste tegemiseta.
Diferentsiaalanalüsaator. Integraalmodul — avatud kaanele, akna poole on paigutatud arvutustulemuste lauda, keskel on arvutusvarraste kompleks.
Ükski analüsaatori komponent ei sisaldanud diskreetseid lüliteid või mõnda digitaalset lülitit. Miks me räägime sellest seadmest? Vastuse annab neljas masin, mille peresse.
1930. aastate alguses hakkas Bush Rockefelleri Fondi lähenema, et saada raha analüsaatori edasisteks arendusteks. Warren Weaver, fondi loodusteaduste osakonna juht, pole esialgu veenduda suutnud. Inseneriteadus ei kuulunud tema pädevusse. Kuid Bush reklaamis oma uue seadme piiritut potentsiaali teaduslikes rakendustes — eriti matemaatilises bioloogias, Weaver’i lemmikprojektis. Samuti lubas Bush mitmeid analüsaatori parandusi, sealhulgas „võimet kiiresti vahetada analüsaator ühelt probleemilt teisele nagu telefonikommutaator“. 1936. aastal premeeriti tema jõupingutusi 85 000 dollari suuruse granti andmisega, et luua uut seadet, mida hiljem nimetati Rockefelleri diferentsiaalanalüsaatoriks.
Praktilise arvutajana ei olnud see analüsaator silmapaistev läbimurre. Bush, kes sai MITi asepresidendiks ja inseneriteaduskonna dekaaniks, ei saanud arenduse juhtimisele palju aega pühendada. Tegelikult eraldas ta end peagi, otsustades keskenduda Carnegie Instituudi esimehe kohustustele Washingtonis. Bush tajus sõja tulekut ning tal oli mitmeid teaduslikke ja tootmisideid, mis võisid küllaldasid sõjaväe vajadusi rahuldada. See tähendab, et ta soovis olla lähemal keskusele, kust ta saaks tõhusamalt mõjutada erinevaid küsimusi.
Samas lahendasid labori töötajad uusi konstruktsioonist tulenevaid tehnilisi probleeme ja peagi hakati neid kõrvale tõrjuma sõjaliste ülesannetega. Rockefelleri masin valmis alles 1942. aastal. Sõjavägi pidas seda kasulikuks ballistiliste tabelite tootmiseks. Kuid peagi varjutas seda puhtalt digitaalsed arvutid — mis esitasid numbreid mitte füüsiliste suurustena, vaid abstraktsetena, lülitite positsioonide kaudu. Juhtus, et Rockefelleri analüsaatoris kasutati üsna palju selliseid lüliteid, mis koosnesid releede skeemidest.
Shannon
Aastal 1936 oli Claude Shannonil vaid 20 aastat, kuid ta oli juba lõpetanud Michigan State Ülikooli bakalaureusekraadiga kahel erialal: elektrotehnikas ja matemaatikas. MITsse tõi teda reklaamplakat, mis oli kinnitatud teadetetahvlile. Vannevar Bush otsis uut assistenti difraktsiooni analüsaatori kallal töötamiseks. Shannon kandideeris ilma kõhklusteta ja peagi hakkas ta tegelema uute probleemidega, ja alles pärast seda hakkas uus seade vormi võtma.
Shannon ei sarnanen Bushile. Ta ei olnud ei ärimees, ei akadeemilise impeeriumi ehitaja ega haldaja. Kogu elu armastas ta mänge, mõistatusi ja meelelahutust: male, jongleerimine, labürindid, krüptogrammid. Nagu paljud mehed tema ajastul, pühendas Shannon sõja ajal end tõsisele tegevusele: ta töötas Bell Labs'is valitsuse lepingulisel kohal, mis kaitses tema õrnade kehade sõjaväeteenistuse eest. Tema uurimus tulejuhtimisest ja krüptograafiast sel perioodil viis omakorda teooriaarenduse, mis muutis informatsiooni teooria aluseid (me ei puuduta seda). 1950. aastatel, kui sõda ja selle tagajärjed olid vaibunud, naasis Shannon MIT-i õpetamise juurde, veetes vaba aega meelelahutuse kallal: kalkulaator, mis töötas ainult rooma numbritega; masin, mille aktiveerimisel ilmus sealt välja mehaaniline käsi ja väljalülitas masin.
Rockefelleri masina struktuur, millega Shannon silmitsi seisis, jäi loogiliselt samaks, nagu 1931. aasta analüsaator, kuid see oli ehitatud täiesti erinevatest füüsilistest komponentidest. Bush mõistis, et varsud ja mehaanilised ülekanded vanades masinates vähendasid nende kasutamise efektiivsust: arvutuste tegemiseks pidi masinat seadistama, mis nõudis palju kvalifitseeritud mehhanikute tööaega.
Uus analüsaator vabanes sellest puudusest. Selle konstruktsiooni aluseks ei olnud varsudega laud, vaid koordinaatkommutatsioon — üleliigne prototüüp, mille Bell Labs oli ohverdanud. Kursuse edastamise asemel põhjaliku säästuga pööras iga integreeritud moodul iseseisvalt mootori jõu. Masina seadistamiseks uue ülesande lahendamiseks piisab lihtsalt koordinaatmaatriksi reléede konfigureerimisest, et ühendada integreerijad soovitud järjestuses. Perforatsioonilindi järeleandja (laenatud teisest telekommunikatsiooniseadmest, rullteleprinterist) luges masina konfiguratsiooni ja reléede skeem muundas signaali lindilt juhtsignaalideks maatriksile — see meenutas seeria telefonikõnesid integreerijate vahel.
Uus masin ei olnud mitte ainult oluliselt kiirem ja lihtsam seadistada, vaid töötas ka kiiremini ja täpsemalt kui tema eelkäija. Ta suutis lahendada keerulisemaid ülesandeid. Täna võib seda arvutit pidada primitiivseks, isegi ekstsentriliseks, kuid siis näis see vaatajate jaoks olevat mingi suurepärane — või võib-olla õudne — töötav meel:
Sisuliselt on see matemaatiline robot. Elektri toel töötav automaat, mis loodi mitte ainult selleks, et kergendada inimaju koormat keeruliste arvutuste ja analüüsidega, vaid ka nühkida matemaatilisi ülesandeid, millega inimmeel ei suutnud toime tulla, ja lahendada need.
Shannon keskendus andmete muutmisele paberilindilt „aju” juhisteks, mille eest vastutas releekaart. Ta märkis, et skeemi struktuur vastas sellele, kuidas ta Michiganis lõpetamisklassis õppis boolesed algebra struktuure. See algebra, mille operandideks olid TÕEVASTUS ja VALENDA, ja operaatoriteks — JA, VÕI, EI jne. Algebra, mis vastab loogilistele väidetele.
Kulutades 1937. aasta suve Bell Labsis Manhattani piirkonnas (ideaalses kohas releekaardiduringil mõtlemiseks), kirjutas Shannon magistritöö pealkirjaga „Sümboolne analüüs relee- ja lülitusringidest“ (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Koos Alan Turingi tööga, mis valmis aastat enne, moodustas Shannoni väitekiri arvutusmasinate teaduse aluse.
1940-1950-ndatel ehitas Shannon mitmeid arvutamis- ja loogikamudeleid: roomik, millel oli rooma numbritega kalkulaator THROBAC, malemängu lõpppositsioonide masin ning Theseus — labürint, kus liigeldi elektromehaanilise hiirega (fotol)
Shannon avastas, et propositsioonilise loogika võrrandite süsteemi saab otse mehhaaniliselt muuta füüsiliseks relee lülitusskeemiks. Ta jõudis järeldusele: „Tegelikult võib mis tahes operatsiooni, mida saab kirjeldada lõpliku arvu sammudega, kasutades sõnu KUI, JA, VÕI jne, saab automaatselt teostada releede abil.“ Näiteks, kaks järjestikku ühendatud juhtreleed moodustavad loogilise ma saan kasutadavoog voolab peamise juhi kaudu ainult siis, kui mõlemad elektromagnetid on aktiivsed lülitite sulgemiseks. Samal ajal moodustavad kaks paralleelselt ühendatud releed VÕIvoog voolab peamise skeemi kaudu, aktiveerituna ühe elektromagneti poolt. Sellise loogilise skeemi väljundid võivad omakorda juhtida teiste releede elektromagneete, et saada keerukamaid loogilisi operatsioone nagu (A ma saan kasutada B) või (V ma saan kasutada G).
Shannon lõpetas oma väitekirja rakendusega, millel on mitu näidet skeemidest, mis on loodud tema meetodil. Kuna booli algebra operatsioonid on väga sarnased binaarsete süsteemide aritmeetiliste operatsioonidega (st. binaarsete numbrite kasutamisega), näitas ta, kuidas luua releedest "elektriline kokkuvõtja binaarsüsteemis" — me nimetame seda binaarseks kokkuvõtjaks. Mõni kuu hiljem tegi üks Bell Labs'i teadlastest sellise kokkuvõtja köögilaual.
Stibitz
George Stibitz, teadlane Bell Labs'i matemaatikaosakonnast Manhattanil, tõi tumedal novembrikuu õhtul 1937 koju kummalise seadme kogumi. Kuivad akumulatorikadapterid, kaks väikest lampi seadmetele ja paar tasandatud releed Tüüp U, leitud prügikastist. Lisades mõned juhtmed ja natuke jama, ehitas ta seadme, mis suutis kokku liita kaks ühekohalist binaarnumbrit (esitatuna sisendi pinget olemasolekuga või puudumisega) ja väljundina anda kahekohalise numbri lampide abil: üks — sisse, null — välja.
Stibitz'i binaarne kokkuvõtja
Stibitz, hariduselt füüsik, paluti hinnata releede magnetite füüsikalisi omadusi. Varem ei olnud tal üldse kogemusi releedega ja seetõttu alustas ta Bell'i telefoniskeemide uurimist. Peagi märkis George sarnasuse teatud skeemide ja binaarnumbrite aritmeetiliste operatsioonide vahel. Intrigeerituna ehitas ta oma köögilaual oma kõrvalprojekti.
Esialgu ei tekitanud Stibitz'i mängimine releedega Bell Labs'i juhtkonnas suurt huvi. Kuid 1938. aastal küsis uurimisgrupi juht George'ilt, kas tema kalkulaatoreid saab kasutada komplekssete numbrite aritmeetiliste operatsioonide jaoks (nt. a + bi, kus i — ruutjuur negatiivsest arvust). Selgus, et mitmed arvutusosakonnad Bell Labs'is kurtisid pidevalt, et nad peavad selliste numbritega korrutama ja jagama. Ühe kompleksse arvu korrutamine nõudis nelja arvutustoimingut lauaarvutis, jagamine — 16 toimingut. Shtebiс ütles, et suudab probleemi lahendada ja töötas välja masina skeemi selliste arvutuste tegemiseks.
Lõplik konstruktsioon, mille metalli valas telefonitehnik Samuel Williams, nimetati Complex Number Computer — või lühidalt Complex Computer — ja alustati tööle 1940. aastal. Arvutuste tegemiseks kasutati 450 releed, vahepealsed tulemused salvestati kümnes koordinaatvälkkeskkonnas. Andmeid sisestati ja võeti vastu rullitud telegraafi abil. Bell Labs'is paigaldati kolm sellist telegraafi, mis viitab suurtele arvutusmahtude vajadustele. Releed, maatriks, telegraaf — kõigis aspektides oli see Bell süsteemi toode.
Complex Computeri tähtsaim hetk saabus 11. septembril 1940. Shtebiс esitles arvuti raportit Ameerika Matemaatika Ühingu koosolekul Dartmouthi kolledžis. Ta leppis kokku, et seal paigaldatakse telegraaf, mis on seotud Complex Computeriga Manhattanil, 400 kilomeetri kaugusel. Huvi korral võis lähe telegraafi juurde astuda, sisestada klaviatuuril ülesande andmed ja näha, kuidas vähem kui minutiga telegraaf imeliselt printib tulemuse. Nende seas, kes uudist proovida said, olid John Mauchly ja John von Neumann, kellest mõlemad mängivad meie loo jätkusuures olulist rolli.
Kohtumise osalejad nägid vilksatust tulevase maailma suunas. Hiljem muutusid arvutid nii kalliks, et administraatorid ei suutnud enam lubada neil seista kasutamata, samas kui kasutaja naerab konsooli ees, mõeldes, mida veel sisestada. Järgmised 20 aastat mõtlevad teadlased, kuidas luua üldotstarbelisi arvuteid, mis ootavad pidevalt, et te nendele andmeid sisestaksite, isegi kui nad tegelevad millegi muu tegemisega. Ja siis läheb veel 20 aastat, kuni see interaktiivne arvutuse režiim muutub igapäevaseks.
Dartmouthi interaktiivse terminali ribad 1960. aastatel. Dartmouthi kolledž oli interaktiivsete arvutite valdkonna pioneer. Ribadest sai kolledži professor 1964. aastal.
Hämmastav on see, et vaatamata lahendatavatele ülesannetele ei olnud Complex Computer tänapäeva mõõtmete järgi tõeline arvuti. Ta suutis teostada aritmeetilisi operatsioone komplekssete arvudega ja tõenäoliselt lahendada ka muid sarnaseid ülesandeid, kuid mitte üldotstarbelisi. Ta ei olnud programmeeritav. See ei suutnud teostada operatsioone juhuslikus järjestuses ega korduda. Tegemist oli kalkulaatoriga, mis suutis teatud arvutusi teha palju paremini kui tema eelkäijad.
Teise maailmasõja algusega Bellis, Štibiči juhtimisel, loodi rida arvuteid nimedega Model II, Model III ja Model IV (Complex Computer sai nimeks Model I). Enamik neist ehitati rahvusliku kaitse teaduskomitee nõudmisel, mida juhtis ei keegi muu kui Vannevar Bush. Štibits parandas masinate skeemi, muutes nende funktsioone ja programmeeritavust universaalsemaks.
Näiteks Ballistic Calculator (hiljem - Model III) töötati välja õhutõrjesüsteemide vajaduste rahuldamiseks. Seda hakati kasutama 1944. aastal Fort Blissis, Texas. Seade sisaldas 1400 releed ja suutis teostada matemaatiliste operatsioonide programmi, mis määrati vastava juhiste järjestusega ringteipil. Eraldi sisendi jaoks anti teip ja eraldi tabelandmed. See võimaldas kiiresti leida väärtusi, näiteks trigonometriliste funktsioonide jaoks, ilma tõeliste arvutusteta. Belli insenerid töötasid välja spetsiaalsed otsinguskeemid (hunting circuits), mis skaneerisid teipi edasi/tagasi ja otsisid vajaliku tabeli väärtuse aadressi sõltumatult arvutustest. Štibits tuvastas, et tema arvuti Model III, mis tiksus releede vahetamisega ööpäevaringselt, asendas 25–40 arvutajat.
Bell Model III relee riiulid
Model V masin ei jõudnud kunagi sõjaväeteenistusse. See muutus veelgi mitmekesisemaks ja võimsamaks. Kui hinnata asendatavaid arvutajaid, siis ületas see umbes kümme korda Model III-d. Mitme arvutusmooduli koos 9000 releega võimaldas saada sisendandmeid mitmest jaoskonnast, kus kasutajad sisestasid erinevate ülesannete tingimusi. Igal sellisel jaoskonnal oli üks lintmoodul andmete sisestamiseks ja viis instruktsioonide jaoks. See võimaldas ülesande arvutamisel peamiste lintide põhjal kutsuda välja erinevaid alamprogramme. Peamine juhtimismoodul (olemasoleva operatsiooni süsteemi analoog) jagas instruktsioone arvutusmoodulite vahel vastavalt nende kättesaadavusele, ning programmid said teha tingimuslikke üleminekuid. See ei olnud enam lihtsalt kalkulaator.
Imede aasta: 1937.
Aastast 1937 võib pidada arvutite ajaloos pöördhetkeks. Sel aastal märkisid Shannon ja Shteybits relee kõikuse ja matemaatiliste funktsioonide sarnasusi. Need järeldused viisid Bell Labs'i mitme olulise digitaalse masina loomise juurde. See oli omamoodi — või isegi asendamine, — kui tagasihoidlik telefonirelee, muutes füüsilist vormi, sai abstraktse matemaatika ja loogika kehastuseks.
Samas aastal ilmus jaanuarikuu numbris väljaanne Proceedings of the London Mathematical Society Briti matemaatiku Alan Turingi artikkel „Arvutatavad arvud seoses (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). Selles kirjeldati universaalset arvutusmasinat: autor väitis, et see võiks teostada tegevusi, mis on loogiliselt ekvivalentne inim-arvutajate tegevustele. Turing, kes eelmisel aastal oli Princetoni ülikooli doktorantuuri astunud, oli samuti huvitatud relee skeemidest. Ja nagu Bush, muretses ta üha kasvava sõjahirmu üle Saksamaaga. Seetõttu asus ta tegelema kõrvalise krüptograafia projektiga - binaarse korrutajaga, mida saaks kasutada sõnumite krüpteerimiseks. Turing ehitas selle releedest, mis olid kokku pandud ülikooli mehaanikas töötavas töökohas.
Samas 1937. aastal mõtles Howard Aiken ette automaatse arvutimasina. Harvardis elektrotehnika doktorant Aiken viis läbi suur osa arvutustest ainult mehaanilise kalkulaatori ja matemaatika tabelite abil. Ta pakkus välja konstruktsiooni, mis vabastaks sellest rutiinist. Erinevalt olemasolevatest arvutusseadmetest pidi see automaatselt ja tsükliliselt töötlema protsesse, kasutades eelneva arvutuse tulemusi järgmiste sissejuhatavate andmetena.
Samas, Nippon Electric Companys, oli sideinsener Akira Nakashima alates 1935. aastast uurinud sidemeid releeskeemide ja matemaatika vahel. Lõpuks, 1938. aastal, tõestas ta iseseisvalt releeskeemide ekvivalentsust Boolese algebra suhtes, mille Shannon avastas aasta varem.
Berliinis otsis endine lennuinsener Konrad Zuse, väsinud lõpututest arvutustest, mis olid vajalikud tema tööl, vahendeid teise arvutimasina loomiseks. Tal ei õnnestunud oma esimest mehaanilist seadet - V1 - usaldusväärselt tööle saada, seetõttu soovis ta luua releekarvuti, mille ta töötas koos oma sõbra, sideinsener Helmut Schreyeriga välja.
Telefonirelee universaalsus, järeldused matemaatilisest loogikast ja säravate meelte soov vabaneda tuimast tööst - kõik need tegurid põimusid ning tõid kaasa idee uue tüüpi loogilisest masinast.
Unustatud põlvkond
1937. aasta avastuste ja arenduste viljad pidid paar aastat valmima. Sõda osutus kõige tõhusamaks väetiseks ning koos sellega hakkasid releekarvutid ilmuma igal pool, kus oli vajalik tehniline ekspertis. Matemaatiline loogika muutus elektritehnika kõveral booleniks. Ilmusid uued programmiga arvutimasinate vormid - esimesed skeemid kaasaegsetest arvutitest.
Lisaks Štibitsa masinatele olid Ameerika Ühendriigid 1944. aastaks uhked Harvard Mark I / IBM Automaatne Jada Kontrollitud Kalkulaator (ASCC) üle, mis oli tulemuseks Aikeni ettepanekule. Topeltnimi tekkis akadeemilise ja tööstuslike suhete halvenemise tõttu: kõik nõudsid seadmest õigusi. Mark I / ASCC kasutas juhtimisreleerimisse ja põhinarvutusmoodul oli üles ehitatud IBM-i mehaaniliste kalkulaatorite arhitektuurile. Masin loodi USA laevanduse büroo vajaduste tarbeks. Selle järglane Mark II hakkas 1948. aastal tegutsema mereväe katsepolügoonil, kus kõik selle toimingud põhinesid täielikult releedel — 13 000 relee peal.
Czuse ehitas sõda ajal mitu relee arvutit, mis olid aina keerukamad. Kuhu tulid V4, mis nagu Bell Model V sisaldas aluseid allprogrammi kutsumiseks ja täitis tingimuslikke üleminekuid. Jaapanis materjalide puuduse tõttu ei saanud Nakashima ja tema kaasmaalased ühtegi nende arendust metalli valada, enne kui riik sõjast taastuma hakkas. 1950. aastatel finantsis uuesti üles ehitatud väliskaubandus- ja tööstusministeerium kahe releemassi loomist, millest teine oli 20 000 relee monster. Fujitsu, mis osales loomisel, arendas välja oma äritegevuse tooted.
Tänaseks on need masinad peaaegu täielikult unustatud. Mäletatakse vaid ühte nime — ENIAC. Unustamise põhjus ei ole seotud nende keerukuse, võimaluste või kiirusaga. Relee arvutamise ja loogika omadused, mida teadlased ja uurijad avastasid, on seotud igasuguste seadmetega, mis saavad toimida lülitina. Nii juhtuski, et oli saadaval teine sarnane seade — elektrooniline lüliti, mis suudab toimida sadades kordades kiiremini kui relee.
Teise maailmasõja tähtsus arvutite ajaloos peaks olema juba ilmne. Kõige kohutavam sõda andis tõuke elektrooniliste masinate arengule. Selle algus vabastas ressursid, mis olid vajalikud elektrooniliste lülitite ilmsete puuduste ületamiseks. Elektromehaaniliste arvutite domineerimine osutus lühikeseks. Nagu titaanid, tõukasid nad oma järglased troonilt. Nii nagu releed, tekkis elektrooniline lülitamine telekommunikatsiooni tööstuse vajadustest. Et mõista, kust see pärineb, peame meie ajalugu tagasi kerima raadiosaate ajastu algusesse.
Allikas: habr.com
