Meie kirjeldatakse automaatsete telefonivahendite õitsengut, mida juhtisid releede skeemid. Seekord tahame rääkida sellest, kuidas teadlased ja insenerid töötasid välja releede skeeme esimese – nüüd juba unustatud – põlvkonna digitaalsetes arvutites.
Releed tipptasemel
Kui te mäletate, põhineb relee tööl lihtsal põhimõttel: elektromagneet opereerib metallist lülitiga. Relee idee pakuti 1830. aastatel sõltumatult mitme loodusteadlase ja telegrampBiznesi ettevõtjaga. Seejärel 19. sajandi keskpaiku muutsid leiutajad ja mehaanikud relee usaldusväärseks ja asendamatuks komponentideks telegraphi võrkudes. Just sellel alal saavutas relee oma kõrgaega: see miniatuuri seeriti ja inseneride põlvkonnad lõid tohutul hulgal konstruktsioone, õppides ametlikult matemaatikat ja füüsikat.
XX sajandi alguses olid mitte ainult automaatsed lülitusüsteemid, vaid ka praktiliselt kogu telefonivõrgu seadmed varustatud erinevat tüüpi releedele. Üks varasemaid telefoniside rakendusi pärineb 1870. aastatest käsilülitites. Kui tellija keerles telefoni käepideme (magneto käepideme) ümber, edastati signaal telefonijaama, mis aktiveeris helindaja. Helindaja on relee, mille aktiveerimisel langes telefonisti lülituslaual metallriba, mis tähendas, et saabus sissetulev kõne. Tollal sisestas telefonisti pistiku pesasse, relee taastati, pärast mida sai uuesti tõsta riba, mida selle asendis hoidis elektromagnet.
1924. aastaks, nagu kirjutasid kaks Bell'i ettevõtte inseneri, teenindas tavaline manuaalne telefonijaam umbes 10 000 abonenti. Selle seadmetes oli 40–65 000 releed, mille koguvõimsus oli "piisav 10 tonni tõstmiseks". Suurtes telefonijaamades, kus kasutati masinavaid, olid need näitajad kahekordsed. Kogu Ameerika Ühendriikide telefonisüsteemis kasutati miljoneid releesid, ja nende arv suurenes pidevalt telefonijaamade automatiseerimisega. Ühte telefonikõnet võis teenindada üks kuni mitu sada releed — sõltuvalt kaasatud telefonijaamade arvust ja varustusest.
Western Electric'i tehas, mis kuulus Bell korporatsiooni, tootis tohutul hulgal releesid. Insenerid lõid nii palju modifikatsioone, et isegi kõige nõudlikumad koerajuhid või postiljonid oleksid kadedad. Relee töökiirus ja tundlikkus optimeeriti, samas kui mõõtmed vähenesid. 1921. aastal valmistas Western Electric peaaegu 5 miljonit releed peamistest tüüpide. Kõige levinum oli universaalne relee Type E, lame ja praktiliselt ristkülikukujuline seade, mis kaalus paarikümne grammi ringis. Suure osa ajast valmistati see pressitud metalliosadest, mis tähendas, et see oli tootmisprotsessis efektiivne. Korpus kaitses kontaktid tolmu ja naaberseadmest väljakutsutud voolude eest: tavaliselt paigaldati releed tihedalt üksteise kõrvale, riiulitesse, kus oli sadu ja tuhandeid releesid. Kokku arendati välja 3000 versiooni Type E, millest igaühel oli erinev mähise ja kontaktide konfiguratsioon.
Peagi hakati neid releesid kasutama kõige keerukamateslülitites.
Kordinaatkommutatsioon
1910. aastal mõtles Gotthilf Betulander, Royal Telegrafverketsi inseneri — riikliku ettevõtte, mis kontrollis enamikku Rootsi telefoniturust (peaaegu kogu turu aastate jooksul) — välja idee. Ta uskus, et saab Telegrafverketsi tegevuse efektiivsust oluliselt parandada automaatsete lülitus süsteemide ehitamisega, mis põhinevad täielikult releedel. Täpsemalt, releemaatritel: terastraatidest koosnevatel ruudustikel, mis on ühendatud telefoniliinidega, releed terastraatide ristumiskohas. Selline lüliti peaks töötama kiiremini, usaldusväärsemalt ja olema kergem hooldada võrreldes libisevate või pöörlevate kontaktidega põhinevate süsteemidega.
Lisaks mõtles Betulander, et süsteemi osasid, mis vastutavad valiku ja ühendamise eest, saab eraldi releeskeemideks jagada. Jäänud osa süsteemist peaks kasutama ainult kõne kanali seadmiseks ja seejärel olema vabastatav järgmise kõne teenindamiseks. Teisisõnu, Betulander jõudis ideeni, mida hiljem hakati nimetama "üldsüsteemi juhtimiseks" (common control).
Scheemi, mis salvestab siseneva kõne numbri, nimetati "rekorderiks" (teine termin on registri). Ja skeemi, mis leiab võrgu ja "märgistab" saadavaloleva ühenduse, kutsuti "markeriks". Autor patenteeris oma süsteemi. Selliseid jaamu ilmus Stockholmi ja Londonisse. 1918. aastal kuulis Betulander Ameerika uuendusest: koordinaatkommuterist, mille lõi insener Bell John Reynolds viis aastat tagasi. See kommuter sarnanes Betulanderi arendusega, kuid kasutas n + m releet hoolduseks n + m matriisi sõlmede jaoks, mis olid oluliselt mugavamad telefonijaamade edasiseks laiendamiseks. Ühenduse loomisel surus pidurirehvi "sõrmed" klaverikeelpillide sisse, samal ajal kui valimisseade liikus matriisi mööda, et ühendada teise kõnega. Järgmisel aastal rakendas Betulander seda ideed oma kommuteri konstruktsioonis.
Kuid enamik insenere pidas Behtulanderi loomist kummaliseks ja ülemäära keeruliseks. Kui tuli aeg valida lülitussüsteem suurimate Rootsi linnade võrkude automatiseerimiseks, eelistati Telegrafverketis Ericssonis arendatud konstruktsiooni. Behtulanderi lülitajaid kasutati vaid väikestes maalelamutes: releed olid usaldusväärsemad kui Ericssoni lülitajate mootori automaatika ning ei nõudnud igas nõuandekomisjonis teenindustehnikute kohalolekut.
Siiski oli Ameerika telefoniinseneridel selle kohta teine arvamus. 1930. aastal tulid Bell Labsi spetsialistid Rootsi ja olid 'väga muljet avaldavad koordinaatide lülitussüsteemi parameetritest'. Naastes hakkasid ameeriklased koheselt töötama selle kallal, mis hiljem sai tuntuks kui 'koordinaatsüsteem nr 1', mis asendas paneelilülitid suurtes linnades. 1938. aastaks olid sellised kaks süsteemi New Yorgis paigaldatud. Varsti muutusid need linnade telefonijaamade standardvarustuseks, kuni üle 30 aasta pärast asendasid need elektroonilised lülitid.
Koordinatsioonikommutatsiooni № 1 kõige huvitavamaks komponendiks sai uus, keerulisem marker, mille töötas välja Bell. See oli ette nähtud vabade marsruutide leidmiseks kutsuja ja kõnetatava vahel, kasutades mitmeid omavahel ühendatud koordinaatmodule, luues seeläbi telefonikõne. Samuti pidi marker testima igaühendust, et määrata, kas see on "vaba" või "kino". See nõudis tingimuslikku loogikat. Nagu kirjutas ajaloolane Robert Chapuis:
Valik on tingimuslik, kuna vaba ühendus hoitakse alles siis, kui see tagab juurdepääsu koordinaatreile, millel on väljundina vaba ühendus järgmise tasemega. Kui mitu ühenduste rühma rahuldavad nõutud tingimusi, siis 'eelisarvestus' (preferential logic) valib ühe [olemasolevatest] kõige vähem levinud ühendustest...
Koordinaatkommutatsioon on suurepärane näide tehnoloogia ideede vastastikusest rikastumisest. Betulander lõi oma täielikult releekommutaatori, seejärel täiustas ta seda Reynolds'i kommutatsioonimatriksiga ja tõendas saadud konstruktsiooni töökindlust. AT&T insenerid töötasid hiljem selle hübriidkommutatsiooni välja, täiustasid seda ja lõid koordinaat süsteemi nr 1. See süsteem sai hiljem kahe varase arvutimasina komponendiks, millest üks on nüüd tuntud kui mereline sündmus arvutitehnika ajaloos.
Matemaatilised arvutused (Mathematical labor)
Et mõista, kuidas ja miks releed ning nende elektroonilised sugulased aitasid arvutitehnika revolutsiooni ellu viia, on meil vaja lühikest ülevaadet matemaatilisest arvutamisest. Pärast seda on selge, miks tekkis peidetud nõudlus arvutusprotsesside optimeerimise järele.
20. sajandi alguseks põhines kogu kaasaegse teaduse ja inseneritehnika süsteem tuhandete inimeste tehtud matemaatilistel arvutustel. Nad olid tuntud arvutite (computers) [Selleks, et segadust ei tekiks, kasutatakse edaspidisest tekstis mõistet arvutajad. — Märk. red.]. Veel 1820. aastatel lõi Charles Babbage (kuigi tema seadmetel olid ideede eelkäijad). Peamine ülesanne oli automatiseerida matemaatiliste tabelite koostamist, näiteks navigatsiooniks (trigonomeetriliste funktsioonide arvutamine polünoomsete lähenemistega 0 kraadi, 0,01 kraadi, 0,02 kraadi jne). Samuti oli astronoomias suur nõudlus matemaatiliste arvutuste järele: oli vajalik töödelda tooreid tulemusi teleskoobivaatlustest kindlates piirkondades taevakehad (ilma ajast ja kuupäevast sõltumata) või määrata uute objektide (näiteks Halley komeedi) orbite.
Alates Babbage'i ajast on arvutusmasinate vajadus kasvanud mitmekordselt. Energeetikafirmad pidid mõistma peamiste energiaülekandesüsteemide käitumist, millel on äärmiselt keerulised dünaamilised omadused. Bessemeri terasest kahurid, mis suutsid projekteerida projekte kaugemale horisondi taha (seega, kuna sihtmärkide vahetu jälgimise tõttu ei olnud need enam suunatud), nõudsid üha täpsemate ballistiliste tabelite koostamist. Uued statistilised tööriistad, mis hõlmasid suurt hulka matemaatilisi arvutusi (näiteks vähenenud ruutude meetod), said laialdaselt kasutatavaks nii teaduses kui ka kasvavas riigiasutuses. Ülikoolides, valitsusasutustes ja tööstusettevõtetes tekkisid arvutusosakonnad, kuhu tavaliselt kuuluvad naised.
Mehaanilised kalkulaatorid leevendasid vaid arvutuste ülesannet, kuid ei lahendanud seda. Kalkulaatorid kiirendasid aritmeetilisi operatsioone, kuid kõik keerulised teaduslikud või insenertehnilised probleemid nõudsid sadu või isegi tuhandeid operatsioone, mille igaühe pidi käsitsi täitma arvutaja (inimene), hoolikalt salvestades kõik vahepealsed tulemused.
Uute lähenemiste tekkimist matemaatiliste arvutuste probleemile soodustas mitmeid tegureid. Noor science ja insenerid, kes öösel vaeva nägid oma ülesannete arvutamisel, soovisid anda oma kätele ja silmadele puhkust. Projektijuhtide pidi kulutama üha rohkem raha arvutajate palkadele, eriti pärast Esimest maailmasõda. Lõpuks esitasid paljud tipptasemel teaduslikud ja insenertehnilised ülesanded käsiraamatutesse rõhku, mis andis neile suure vaeva proovida. Kõik need tegurid viisid arvutismehaanika seeriaviisi loomisse, mida juhendas Vannevar Bush — Massachusettsi Tehnoloogia Instituudi (MIT) elektroonikainsener.
Differentsiaalanalüsaator
Kuni nüüd on ajalugu sageli olnud anonüümne, kuid nüüd hakkame rohkem rääkima konkreetsetest inimestest. Kuulsus on mööda läinud paneelide lülitite, Type E releede ja koordinaatmarkerite seadmete loojatest. Nende kohta pole säilinud isegi biograafilisi anekdoote. Ainsad üldiselt kättesaadavad tõendid nende elust on nende loodud masinate fossiilsed jäänused.
Nüüd saame sügavamalt mõista inimesi ja nende minevikku. Kuid me ei kohtu enam nende inimestega, kes töötasid usinalt oma kodude pööningutel ja töötubades — Morse ja Veil, Bell ja Watson. Esimese maailmasõja lõpuks peaaegu kadus kangelaste leiutajate ajastu. Thomas Edisonit võib pidada üleminekufiguuriks: oma karjääri alguses oli ta palgaline leiutaja, kuid karjääri lõpuks sai temast „leiutamisvabriku“ omanik. Sel ajal oli silmapaistvate uute tehnoloogiate arendamine kohalike organisatsioonide — ülikoolide, korporatsioonide teadusosakondade, valitsuse laboratooriumide — rikkaim osa. Inimesed, kellest me selles jaotises räägime, kuulusid just sellistesse organisatsioonidesse.
Näiteks Vannevar Bush. Ta saabus MIT-sse 1919. aastal, olles 29 aasta vana. Veidi rohkem kui 20 aastat hiljem kuulus ta inimeste hulka, kes mõjutasid Ameerika Ühendriikide osalust Teises maailmasõjas, aidates suurendada riiklikku rahastamist, mis muutis igaveseks valitsuse, akadeemilise keskkonna ja teaduse ning tehnoloogia arengu suhteid. Kuid meie artikli raames huvitab meid seeria masinaid, mida Bushi laboratooriumis arendati 1920. aastate keskpaiku ja mis olid mõeldud matemaatiliste arvutuste probleemi lahendamiseks.
MIT, mis on hiljuti kolinud kesklinna Bostoni Charlesi jõe ääres Cambridge'i, oli tihedalt seotud tööstuse vajadustega. Lisaks professoritööle oli Bushil finantshuve mitmes elektroonikaga seotud ettevõttes. Seega ei peaks teid üllatma, et probleem, mis viis Bushi ja tema üliõpilased uue arvutusseadme ehitamisele, tekkis energiasektoris: tuli simuleerida suure võimsusega peajõudude käitumist tipukoormuses. Ilmselt oli see vaid üks paljusid võimalikke rakendusi arvutusmasinate jaoks: väsitavaid matemaatilisi arvutusi tehti igal pool.
Bush ja tema kolleegid ehitasid algselt kaks masinat, mida nimetati tootmisintegraafideks (product integraphs). Kuid MITi kõige tuntum ja edukam masin oli teine — diferentiaalanalüsaator, lõpetas 1931. aastal. See lahendas elektrienergia edastamise probleeme, arvutas elektronide orbiite, kosmilise kiirguse trajektoore Maa magnetväljas ja palju muud. Uurijad üle kogu maailma, kes vajasid arvutusvõimet, lõid 1930-ndatel kümneid koopiaid ja variatsioone erinevast analüsaatorist. Mõned — isegi Meccano'st (ingliskeelsest analoogist Ameerika ehituskomplektidele ).
Diferentsiaalanalüsaator on analoogarvuti. Matemaatilisi funktsioone arvutati pöörlevate metallist varraste abil, mille pöörlemiskiirus peegeldas mingit kvantitatiivset väärtust. Mootor juhtis sõltumatut varrast — muutuja (tavaliselt esindas see aega), mis omakorda pöördus mehaaniliste ühenduste kaudu teiste varraste (erinevad diferentsiaalmuutujad) ümber, ja sisendi pöörlemiskiirus arvutas välja funktsiooni. Arvutustulemused joonistati paberile kõverate kujul. Kõige olulisemad komponendid olid integraatorid — rattad, mis pöörlesid ketastega. Integraatorid suudsid arvutada kõvera integraali ilma kurnavate käsitsi arvutamisteta.
Diferentsiaalanalüsaator. Integraalimoodul – avatud katusega, akna ees on arvutustulemuste lauad ja keskel on arvutusteljed.
Ükski analüsaatori komponent ei sisaldanud diskreetseid lülitusi või mingeid digitaalseid lüliteid. Nii et miks me räägime sellest seadmest? Vastuse annab neljas perekonna perekond.
1930. aastate alguses hakkas Bush Rockefelleri Fondi kerjama, et saada rahastust analüsaatori edasise arendamise jaoks. Warren Weaver, fondi loodusteaduste osakonna juht, ei suutnud Bushi alguses veenda. Inseneriteadus ei kuulunud tema pädevusse. Siiski reklaamis Bush oma uue masina piiramatut potentsiaali teaduslike rakenduste jaoks — eriti matemaatilise bioloogia osas, mis oli Weavere lemmikprojekt. Bush lubas ka rohkelt muudatusi analüsaatorile, sealhulgas „võimalust kiiresti vahetada analüsaator ühest probleemist teisele, nagu telefonivahetus“. 1936. aastal tasustati tema pingutusi 85 000 dollari suuruse toetusega, mis anti uue seadme loomise jaoks, mida hiljem hakati nimetama Rockefelleri diferentseerivaks analüsaatoriks.
Praktilise arvutajana ei olnud see analüsaator suur edusamm. Bush, kes sai MIT-i asepresidendiks ja inseneriteaduskonna dekaanikohale, ei saanud palju aega arenduse juhtimiseks pühendada. Tegelikult ta isoleerus kiiresti, asudes Carnegie Instituudi esimehe kohustusi täitma Washingtonis. Bush tundis sõja lähenevat ja tal oli mitmeid teaduslikke ning tootmisideid, mis võiksid teenida relvajõudude vajadusi. See tähendab, et ta soovis olla lähemal võimu keskpunktile, kus ta saaks tõhusamalt mõjutada teatud küsimuste lahendamist.
Samas lahendasid labori töötajad uusi konstruktsioone dikteeritud tehnilisi probleeme ning nad hakkasid varsti sõjaliste ülesannete täitmiseks kõrvale juhtima. Rockefelleri masin valmis alles 1942. aastal. Sõjavägi pidas seda kasulikuks ballistiliste tabelite tootmiseks suunatud tootmises. Kuid varsti ületas see seade puhtalt digitaalsed arvutid, mis esindasid numbreid mitte füüsiliste suurustena, vaid abstraktselt, lülitite positsioonide kaudu. Nii juhtus, et Rockefelleri enda analüsaatoris oli kasutusel palju sarnaseid lüliteid, mis koosnesid relee skeemidest.
Shannon
1936. aastal oli Claude Shannonil vaid 20 aastat, kuid ta oli juba lõpetanud Michigani ülikooli kahel erialal: elektrotehnikas ja matemaatikas. MIT-sse tõi teda reklaamileht, mis oli kleebitud kuulutustetahvlile. Vannevar Bush otsis uut assistenti diferentseeriva analüsaatori tööks. Shannon kandideeris kohe ja varsti hakkas ta töötama uute probleemide kallal, ning alles pärast seda hakkas uus seade vormi võtma.
Shannon ei sarnanenud Bushile. Ta ei olnud ei ärimees, ei akadeemilise impeeriumi ehitaja ega administraator. Kogu elu armastas ta mänge, mõistatusi ja meelelahutust: malet, jongleerimist, labürinte, krüptogramme. Nagu paljud tema ajastu mehed, pühendus Shannon sõja ajal tõsisele tööle: ta töötas Bell Labsis valitsuse lepinguga, mis kaitses tema haprat keha sõjaväeteenistuse eest. Tema uuringud tulejuhtimise ja krüptograafia alal sellel ajal viisid omakorda teooriainformatsiooni alusainekuni (millele me ei puutu). 1950. aastatel, kui sõda ja selle tagajärjed vaibusid, naasis Shannon õpetama MIT-s, veetes oma vabaaega lõbustuste kallal: kalkulaator, mis töötas ainult Rooma numbritega; masin, mille sisse lülitamisel ilmus sealt välja mehaaniline käsi, mis masinasse välja lülitas.
Rockefelleri masina struktuuri, millega Shannon silmitsi seisis, oli loogiliselt sama, mis 1931. aasta analüsaatoril, kuid see oli valmistatud täiesti erinevatest füüsilistest komponentidest. Bush mõistis, et vanade masinate vardad ja mehaanilised käigud vähendasid nende kasutamise efektiivsust: arvutuste teostamiseks tuli masin seadistada, mis nõudis palju kvalifitseeritud mehhanikute töötunde.
Uus analüsaator vabanes sellest puudusest. Selle konstruktsiooni aluseks ei olnud varrastel tava, vaid koordinaatide lüliti — ülearune prototüüp, mille Bell Labs oli ohverdanud. Selle asemel, et edastada võimu keskålalt, oli iga integreeritud moodul sõltumatult käivitatud elektrimootoriga. Uue ülesande lahendamiseks oli masina seadistamiseks piisavalt, kui lihtsalt konfigureerida releed koordinaatmatis, et ühendada integraatorid soovitud järjestuses. Puurauku luger (laenatud teisest telekommunikatsiooni seadmest, rullteleks) luges masina konfiguratsiooni ja releeskeem muundas lindi signaali juhtimisignaalideks matriisile — see meenutas seriaali telefonikõnesid integraatorite vahel.
Uus masin oli mitte ainult palju 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 tol ajal näis vaatlejatele, et see on mingi suurepärane — või võib-olla kohutav — töötav intelligents.
Sisuliselt on see matemaatika robot. Elekter toidetud automat, mis on loodud mitte ainult inimaju koormate raskete arvutuste ja analüüside eemaldamiseks, vaid ka selliste matemaatiliste probleemide lahendamiseks, mis ei ole vaimsele lahendusele alluvad.
Shannon keskendus andmete teisendamisele paberilindilt juhisteks 'ajule', ja selle operatsiooni eest vastutas relee scheem. Ta märkis seost skeemi struktuuri ja Boole algebra matemaatiliste struktuuride vahel, mida ta õppis Michiganis lõpetamise aastal. See algebra, mille operandideks olid TÕDE ja VALGE, aga operaatoriteks — JA, VÕI, EI jne. Algebra, mis vastas loogilistele väidetele.
Veetnud suve 1937. aastal Bell Labs'is Manhattanil (ideaalne koht releeahelate üle mõtlemiseks), kirjutas Shannon magistritöö pealkirjaga "Sümboolne analüüs relee- ja lülitusahelatest" (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Koos Alan Turingi poolt aasta varem loodud tööga, kujundas Shannoni väitekiri arvutiteaduse alused.
1940–1950-ndatel ehitas Shannon mitmeid arvutuslikke/loogilisi masinaid: THROBAC, rooma arvutuse kalkulaator, malemängu lõppseisude masin ning Theseus — labürint, mille kaudu sõitis elektromehaaniline hiir (pildil).
Shannon leidis, et propositsioonilise loogika võrrandite süsteemi saab otse mehaaniliselt muuta füüsiliseks relee lülitusahelaks. Ta järeldas: "Peaaegu igasugust operatsiooni, mida saab kirjeldada lõpliku arvu sammudega sõnade abil KUI, JA, VÕI jne., saab automaatselt täita releede abil." Näiteks kaks järjestikku ühendatud kontrollitavat releed moodustavad loogilise. JA: vool läbib põhijuhtme ainult siis, kui mõlemad elektromagneetide lülitid on aktiveeritud. Samal ajal moodustavad kaks paralleelselt ühendatud releed VÕI: vool liigub põhiskeemi, mille aktiveerib üks elektromagneetidest. Sellise loogilise skeemi väljundid võivad omakorda juhtida teiste releede elektromagneete, et saavutada keerulisemaid loogilisi operatsioone nagu (A JA B) või (V JA G).
Shannon lõpetas oma väitekirja lisana mitme skeemiga, mille ta oli loonud oma meetodi alusel. Kuna boolean algebra toimingud on väga sarnased binaarses süsteemis (st kasutades binaare) aritmeetiliste toimingutega, näitas ta, kuidas koguda releedest „elektriline summaator binaarses süsteemis“ — seda nimetame me binaarsummaatoriks. Mõni kuu hiljem valmistas üks Bell Labi teadlastest sellise summaatori köögilaual.
Štibits
George Stibitz, uurija Bell Labs'i matemaatikaosakonnast, tõi tumedal novembrikuu õhtul 1937. aastal koju kummalise seadme komplekti. Kuivaku akud, kaks väikest lampi seadmete tahvlitele ja paar tasapinnalist reléed Type U, leitud prügikastist. Lisades mõned juhtmed ja paar tükki kraami, ehitas ta seadme, mis suutis kokku liita kaks ühekohalist binaarset arvu (esitatud elektrivoolu olemasolu või puudumise kaudu) ning väljundina kahe koha arvu lampidega: üks — sisse, null — välja.
Stibitze binaarkokkuvõtja
Stibitz, hariduse järgi füüsik, paluti hinnata releede magnetite füüsikalisi omadusi. Varasemalt polnud tal releedega mingit kogemust, seega alustas ta nende kasutamise uurimist Bell'i telefoniskeemides. Varsti märkas George sarnasusi mõnede skeemide ja binaarsete arvude aritmeetiliste operatsioonide vahel. Intrigeeritud, koostas ta köögilaual oma kõrvalprojekti.
Alustuseks ei hakanud Bell Labsi juhtkond Štibića ja tema relee mängimist kuigi tõsiselt võtma. Kuid 1938. aastal küsis uurimisgrupi juht George'ilt, kas tema kalkulaatoreid saab kasutada keerukate aritmeetiliste operatsioonide jaoks (näiteks a + bi, kus i — negatiivse numbri ruutjuure arvutamiseks). Selgus, et mitmed Bell Labsi arvutusosakonnad kurtisid juba sellest, et nad pidid pidevalt selliste numbritega korrutama ja jagama. Ühe keeruka numbri korrutamine nõudis nelja aritmeetilise operatsiooni ja jagamine 16 operatsiooni. Štibić ütles, et suudab probleemi lahendada ning töötas välja masina skeemi selliste arvutuste jaoks.
Lõplik konstruktsioon, mille tegi metalliks telefonitehnik Samuel Williams, sai nimeks Complex Number Computer — või lühidalt Complex Computer — ja pandi tööle 1940. aastal. Arvutuste tegemiseks kasutati 450 releed, vahepealsed tulemused salvestati kümnes koordinaatklahvis. Andmed sisestati ja vastu võeti rullteleprinteri abil. Bell Labs'i osakondades paigaldati kolm sellist teleprinterit, mis näitab suurenenud arvutuste vajadusi. Releed, maatriks, teleprinterid — igas mõttes oli see Bell süsteemi toode.
Tähehetk Complex Computeris toimus 11. septembril 1940. aastal. Shchitbits esitles arvuti aruannet Ameerika matemaatikaühingu kohtumisel Dartmouthe kolledžis. Ta leppis kokku, et sinna paigaldatakse teletüüp, mis on ühendatud Complex Computeriga Manhattanil, 400 kilomeetri kaugusel. Huvi korral said inimesed teletüüpi läheneda, sisestada klaviatuuril ülesande tingimused ja näha, kuidas vähem kui minuti jooksul teletüüp imekombel tulemuse välja prindib. Nende seas, kes uut tehnoloogiat proovida said, olid John Mauchly ja John von Neumann, igaühel neist on meie loo jätkamisel oluline roll.
Kohtumise osalejad said kiire ülevaate tuleviku maailmast. Hiljem muutusid arvutid nii kalliks, et administraatorid ei saanud enam lubada, et need seisaksid töös, samas kui kasutaja kratsib lõuga juhtpaneeli ees, mõeldes, mida edasi sisestada. Järgmised 20 aastat mõtlevaid teadlased, kuidas luua universaalseid arvuteid, mis ootavad alati, et te sisestate neile andmed, isegi samal ajal, kui töötate millegi muu kallal. Ja siis kulub veel 20 aastat, kuni see interaktiivne arvutusteks mõeldud režiim muutub normaalseks.
Shitbits Darti muthi interaktiivse terminali juures 1960. aastatel. Dartmouthi kolledž oli interaktiivse arvutamise pioneeri. Shitbits sai kolledži professoriks 1964. aastal.
Imestav, et hoolimata lahendatud ülesannetest, ei ole Complex Computer tänapäeva mõõdupuude järgi sugugi arvuti. Ta suutis teostada aritmeetilisi operatsioone komplekssete arvudega ja tõenäoliselt lahendada ka muid sarnaseid ülesandeid, kuid mitte üldotstarbelisi. Ta ei olnud programmeeritav. Ta ei saanud teostada operatsioone suvalises järjekorras ega korduvasti. See oli kalkulaator, mis suutis teatud arvutusi teha oluliselt paremini kui tema eelkäijad.
Teise maailmasõja alguses töötas Bell Schtibitsi juhtimisel välja arvutite seeria nimedega Model II, Model III ja Model IV (Complex Computer sai nimeks Model I). Enamik neist ehitati rahvusliku kaitseteaduskomitee nõudmisel, mille eesotsas oli mitte keegi muu kui Veni Var Bush. Schtibitz parandas masinate skeemi, et suurendada funktsioonide universaalsust ja programmeeritavust.
Näiteks, Ballistic Calculator (hiljem — Model III) arendati õhutõrjesüsteemide vajadusteks. Seda hakati kasutama 1944. aastal Fort Bliss’is, Texases. Seade sisaldas 1400 releed ja suutis täita matemaatilisi operatsioone, järgides juhiste seeriat, mis oli salvestatud ringpaperilintidele. Erinevalt edastati sisendandmed ja tabeli andmed eraldi. See võimaldas kiiresti leida väärtusi, näiteks trigonomeetrilisi funktsioone, ilma tõeliste arvutusteta. Bell’i insenerid töötasid välja spetsiaalsed otsinguskeemid (hunting circuits), mis skaneerisid lint ette- ja tahapoole ning otsisid vajalikke tabeli väärtusi sõltumata arvutustest. Štibits leidis, et tema arvuti Model III, mis klõbistas releesid ööpäevaringselt, asendas 25–40 arvutust.
Bell Model III releede riiulid
Model V masin ei jõudnud enam sõjaväeteenistusse. See muutus veelgi universaalsemaks ja võimsamaks. Kui hinnata asendatud arvutusmasinate arvu, siis ületas see Model III umbes kümme korda. Mitmed arvutusmoduulid, millel oli 9000 releed, said andmeid mitmest jaamast, kus kasutajad sisestasid erinevate ülesannete tingimusi. Igal sellisel jaamal oli üks lintlugeja andmete sisestamiseks ja viis käskluste sisestamiseks. See võimaldas ülesande arvutamise käigus pealindilt erinevaid alamprogramme kutsuda. Peamine juhtimismoodul (põhimõtteliselt sarnane opsüsteemiga) jagas juhiseid arvutusmodulite vahel vastavalt nende kättesaadavusele, samal ajal kui programmid suutsid teostada tingimuslikke üleminekuid. See oli juba rohkem kui lihtsalt kalkulaator.
Imede aasta: 1937.
Aastat 1937 võib pidada arvutusmasinate ajaloos pöördumispunktiks. Sel aastal märkisid Shannon ja Stibitz sarnasusi releevõrkude ja matemaatiliste funktsioonide vahel. Need järeldused viisid Bell Labs'i terve rea oluliste digitaalmoodulite loomise. See oli omamoodi — või isegi asendamine, — kui tagasihoidlik telefonirelee, muutes füüsilist vormi, sai abstraktse matemaatika ja loogika kehastuseks.
Samas aastas jaanuarikuises numbris väljaande Proceedings of the London Mathematical Society ilmus artikli briti matemaatiku Alan Turingi "Arvutatavad numbrid, rakendusega " (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). Artiklis kirjeldati universaalset arvutimasinat: autor väitis, et see võiks teostada tegevusi, mis on loogiliselt ekvivalentne inim-arvutajate tegevustega. Turing, kes eelmisel aastal astus Princetoni ülikooli kraadiõppesse, oli samuti intrigeeritud releeskeemidest. Ja nagu Bush, muretses ta kasvava sõjahimu pärast Saksamaa poole. Seetõttu asus ta tegelema kõrvalise krüptograafia projektiga — binaarse korrutajaga, mida saaks kasutada sõnumite krüpteerimiseks. Turing ehitas selle releedest, mis olid kokku pandud ülikooli mehaanilises töökojas.
Sama aastal 1937 mõtles Howard Aiken automaatse arvutimasina peale. Harvardi elektrotehnika üliõpilane Aiken tegi suuri arvutusi vaid mehaanilise kalkulaatori ja matemaatiliste tabelitega raamatute abil. Ta pakkus välja konstruktsiooni, mis vabastaks sellest rutiinist. Erinevalt olemasolevatest arvutusseadmestest pidi see automaatselt ja tsükliliselt töötlema protsesse, kasutades eelnevate arvutuste tulemusi järgnevate sisenditena.
Sel ajal uuris Nippon Electric Company telekommunikatsiooninsener Akira Nakashima alates 1935. aastast seoseid releeskeemide ja matemaatika vahel. Lõpuks, aastal 1938, tõestas ta iseseisvalt releeskeemide ekvivalentsi Boolese algebraga, mille Shannon avastas aasta varem.
Berliinis otsis endine lennuinsener Konrad Zuse, kes väsis pidevast arvutamisest, mis oli tööl vajalik, raha teise arvutamisehitusmasina loomiseks. Tal ei õnnestunud oma esimest mehaanilist seadet — V1 — usaldusväärselt tööle panna, seetõttu soovis ta jällegi luua relee arvutit, mille ta arendas koos oma sõbra, telekommunikatsioonitehnik Helmut Schreyeriga.
Telefonireleede universaalsus, järeldused matemaatilisest loogikast, soov säravate meeltest vabaneda tuimast tööst — kõik see põimus ja tõi esile uue tüüpi loogilise masina idee.
Unustatud põlvkond
1937. aasta avastuste ja arenduste viljad pidid mitmeid aastaid küpsema. Sõda osutus kõige tugevamaks väetiseks ning koos selle tulekuga hakkasid releearvutid ilmuma igal pool, kus oli vajalik tehniline ekspertiis. Matemaatiline loogika muutus elektritehnika juhtmestikuks. Tekkinud olid uued programmiga arvutimasinad — esimene visand tänapäeva arvutitest.
Lisaks Štibitzale suutis Ameerika Ühendriikide 1944. aastaks uhkeldada Harvard Mark I / IBM Automaatne Jadasüsteemiga Arvutaja (ASCC), mis oli Aikenile tehtud ettepaneku tulemus. Kahekordne nimi tekkis akadeemilise keskkonna ja tööstuse vaheliste suhete halvenemise tõttu: kõik nõudsid seadmele õigusi. Mark I / ASCC kasutas juhtreleede skeeme, kuid põhiarvutusmoodul ehitati IBM-i mehaanikal põhineva kalkulaatori arhitektuurile. Masin loodi Ameerika Ühendriikide laevandusbüroo vajaduste rahuldamiseks. Selle järglane Mark II hakkas tööle 1948. aastal USA mereväe katsepolügonil, kus kõik selle toimingud põhinesid ainul releedel — kokku 13 000 releed.
Sõda käigus ehitas Chuse mitmeid relaysüsteeme, mis muutusid järjest keerukamaks. Kulminatsiooniks oli V4, mis, nagu Bell Model V, sisaldas alamsüsteemide kutse seadmeid ja teostas tingimuslikke üleminekuid. Järgmine areng ei leidnud materjalide nappuse tõttu Jaapanis metalli, kuni riik taastub sõjast. 1950-ndatel aastatel rahastas taassündinud väliskaubanduse ja tööstuse ministeerium kahele releemasinale, millest teine oli hiiglane 20 000 releega. Fujitsu, kes osales loomises, arendas välja oma kaubanduslikud tooted.
Täna on need masinad peaaegu täielikult unustatud. Mäletatakse vaid ühte nime — ENIAC. Unustamise põhjus ei ole seotud nende keerukuse, omaduste või kiirusest. Relee arvutus- ja loogilised omadused, mille avastasid teadlased ja uurijad, kehtivad kõigi seadmete jaoks, mis saavad toimida lülitina. Ja nii juhtus, et olemas oli teine sarnane seade — elektrooniline lüliti, mis suutis käivituda sada korda kiiremini kui relee.
Teise maailmasõja tähtsus arvutite ajaloos peaks olema nüüd juba ilmne. Kõige kohutavam sõda oli tõukeks elektrooniliste masinate arengule. Selle algus vabastas ressursid, mis olid vajalikud elektrooniliste lülitite ilmselgete puuduste ületamiseks. Elektromehaaniliste arvutite domineerimine oli lühiajaline. Nagu titaanid, tõukasid nad kõrvale oma järglased. Nagu relee, tekkis elektrooniline lülitamine sidevõrgu tööstuse vajadustest. Ja et teada saada, kust see pärineb, peame meie ajalugu kerima tagasi raadiosaateaja algusse.
Allikas: habr.com
