نسل فراموش شده کامپیوترهای رله

در ما مقاله قبلی ظهور کلیدهای تلفن خودکار را توصیف کرد که با استفاده از مدارهای رله کنترل می شدند. این بار می خواهیم در مورد چگونگی توسعه مدارهای رله توسط دانشمندان و مهندسان در اولین نسل - که اکنون فراموش شده - رایانه های دیجیتالی ساخته شده اند صحبت کنیم.

رله در اوج خود

اگر به خاطر داشته باشید، عملکرد یک رله بر اساس یک اصل ساده است: یک آهنربای الکتریکی یک کلید فلزی را راه اندازی می کند. ایده رله به طور مستقل توسط چندین طبیعت گرا و کارآفرین در تجارت تلگراف در دهه 1830 ارائه شد. سپس، در اواسط قرن نوزدهم، مخترعان و مکانیک ها رله ها را به یک جزء قابل اعتماد و ضروری از شبکه های تلگراف تبدیل کردند. در این منطقه بود که عمر رله به اوج خود رسید: مینیاتوری شد و چندین نسل از مهندسان در حالی که به طور رسمی در ریاضیات و فیزیک آموزش می‌دادند، طرح‌های بی‌شماری را خلق کردند.

در آغاز قرن بیستم، نه تنها سیستم های سوئیچینگ خودکار، بلکه تقریباً تمام تجهیزات شبکه تلفن حاوی نوعی رله بودند. یکی از اولین کاربردها در ارتباطات تلفنی به دهه 1870 در تابلوهای دستی باز می گردد. هنگامی که مشترک دستگیره تلفن (دسته مغناطیسی) را می چرخاند، سیگنالی به مرکز تلفن ارسال می شود که مخلوط کن را روشن می کند. بلانکر رله‌ای است که وقتی فعال می‌شود، باعث می‌شود یک فلپ فلزی روی میز سوئیچ اپراتور تلفن بیفتد که نشان‌دهنده تماس ورودی است. سپس اپراتور خانم جوان دوشاخه را در کانکتور وارد کرد، رله تنظیم مجدد شد، پس از آن امکان بالا بردن فلپ دوباره وجود داشت که توسط آهنربای الکتریکی در این موقعیت نگه داشته شد.

تا سال 1924، دو مهندس بل نوشتند که مرکز تلفن دستی معمولی به حدود 10 مشترک خدمات ارائه می دهد. تجهیزات او حاوی 40-65 هزار رله بود که کل نیروی مغناطیسی آنها "برای بلند کردن 10 تن کافی بود." در مبادلات تلفنی بزرگ با سوئیچ ماشین، این ویژگی ها در دو ضرب می شد. میلیون ها رله در سراسر سیستم تلفن ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفت و با خودکار شدن مبادلات تلفنی، تعداد آنها دائماً در حال افزایش بود. بسته به تعداد و تجهیزات مبادلات تلفنی درگیر، یک اتصال تلفنی می تواند توسط چند تا چند صد رله ارائه شود.

کارخانه های وسترن الکتریک، یکی از شرکت های تابعه تولیدی Bell Corporation، طیف وسیعی از رله ها را تولید کردند. مهندسان تغییرات زیادی ایجاد کرده اند که پیچیده ترین پرورش دهندگان سگ یا کبوترداران به این تنوع حسادت می کنند. سرعت کار و حساسیت رله بهینه شد و ابعاد کاهش یافت. در سال 1921، وسترن الکتریک تقریباً 5 میلیون رله از 3 نوع اصلی تولید کرد. محبوب ترین آنها رله جهانی نوع E بود، دستگاهی مسطح و تقریباً مستطیلی که چندین ده گرم وزن داشت. در بیشتر موارد، از قطعات فلزی مهر و موم شده ساخته می شد، یعنی از نظر فنی در تولید پیشرفته بود. محفظه از کنتاکت ها در برابر گرد و غبار و جریان های القایی از دستگاه های همسایه محافظت می کرد: معمولاً رله ها در نزدیکی یکدیگر و در قفسه هایی با صدها و هزاران رله نصب می شدند. در مجموع XNUMX نوع تیپ E توسعه داده شد که هر کدام دارای پیکربندی سیم پیچ و تماس متفاوتی بودند.

به زودی از این رله ها در پیچیده ترین سوئیچ ها استفاده شد.

کموتاتور مختصات

در سال 1910، گوتیلف بتولاندر، مهندس رویال تلگرافورکت، شرکت دولتی که بیشتر بازار تلفن سوئد (برای دهه ها، تقریباً تمام آن) را کنترل می کرد، ایده ای داشت. او معتقد بود که می تواند با ساختن سیستم های سوئیچینگ خودکار کاملاً مبتنی بر رله، کارایی عملیات Telegrafverket را تا حد زیادی بهبود بخشد. به طور دقیق تر، در ماتریس های رله: شبکه های میله های فولادی متصل به خطوط تلفن، با رله ها در تقاطع میله ها. چنین سوئیچ باید سریعتر، قابل اطمینان تر و راحت تر از سیستم های مبتنی بر کنتاکت های کشویی یا چرخشی نگهداری شود.

علاوه بر این، Betulander این ایده را مطرح کرد که امکان جداسازی بخش های انتخاب و اتصال سیستم به مدارهای رله مستقل وجود دارد. و بقیه سیستم باید فقط برای ایجاد یک کانال صوتی استفاده شود و سپس برای رسیدگی به تماس دیگری آزاد شود. یعنی Betulander ایده ای را ارائه کرد که بعداً "کنترل مشترک" نام گرفت.

او مداری را که شماره تماس ورودی را ذخیره می‌کند «ضبط‌کننده» نامید (اصطلاح دیگر ثبت نام است). و مداری که یک اتصال موجود در شبکه را پیدا کرده و علامت گذاری می کند، "نشانگر" نامیده می شود. نویسنده سیستم خود را به ثبت رساند. چندین ایستگاه از این قبیل در استکهلم و لندن ظاهر شد. و در سال 1918، Betulander در مورد یک نوآوری آمریکایی یاد گرفت: سوئیچ مختصات، که توسط مهندس بل، جان رینولدز، پنج سال قبل ایجاد شد. این سوئیچ بسیار شبیه به طراحی Betulander بود اما از آن استفاده می کرد n+m رله سرویس n+m گره های ماتریسی، که برای گسترش بیشتر مبادلات تلفنی بسیار راحت تر بود. هنگام برقراری یک اتصال، نوار نگهدارنده سیم پیانو "انگشتان" را می‌بندد و نوار انتخاب در طول ماتریس حرکت می‌کند تا به تماس دیگری متصل شود. سال بعد، Betulander این ایده را در طراحی سوئیچ خود گنجاند.

اما اکثر مهندسان خلقت Betulander را عجیب و غیر ضروری می دانستند. زمانی که زمان انتخاب یک سیستم سوئیچینگ برای خودکارسازی شبکه های بزرگترین شهرهای سوئد فرا رسید، Telegrafverket طرحی را انتخاب کرد که توسط اریکسون توسعه یافته بود. سوئیچ‌های Betulander فقط در مبادلات تلفنی کوچک در مناطق روستایی استفاده می‌شد: رله‌ها نسبت به اتوماسیون موتوری سوئیچ‌های اریکسون قابل اعتمادتر بودند و به تکنسین‌های تعمیر و نگهداری در هر سانترال نیاز نداشتند.

با این حال مهندسان تلفن آمریکایی در این مورد نظر دیگری داشتند. در سال 1930، متخصصان آزمایشگاه بل به سوئد آمدند و "بسیار تحت تاثیر پارامترهای ماژول سوئیچ مختصات" قرار گرفتند. زمانی که آمریکایی ها بازگشتند، بلافاصله شروع به کار بر روی چیزی کردند که به سیستم مختصات شماره 1 معروف شد و در شهرهای بزرگ جایگزین سوئیچ های پنل شد. تا سال 1938، دو سیستم از این قبیل در نیویورک نصب شد. آنها به زودی به تجهیزات استاندارد برای مبادلات تلفن شهری تبدیل شدند تا اینکه بیش از 30 سال بعد سوئیچ های الکترونیکی جایگزین آنها شدند.

جالب ترین مولفه X-Switch شماره 1 یک نشانگر جدید و پیچیده تر بود که در Bell توسعه یافت. در نظر گرفته شده بود که یک مسیر آزاد از تماس گیرنده به تماس گیرنده از طریق چندین ماژول مختصات متصل به یکدیگر جستجو شود و در نتیجه یک اتصال تلفنی ایجاد شود. نشانگر همچنین باید هر اتصال را برای حالت آزاد/مشغول آزمایش کند. این امر مستلزم اعمال منطق شرطی بود. همانطور که رابرت چاپویس مورخ نوشت:

این انتخاب مشروط است زیرا یک اتصال آزاد تنها در صورتی برقرار می شود که دسترسی به شبکه ای را فراهم کند که یک اتصال آزاد به سطح بعدی به عنوان خروجی آن باشد. اگر چندین مجموعه از اتصالات شرایط مورد نظر را برآورده کنند، "منطق ترجیحی" یکی از کمترین اتصالات را انتخاب می کند ...

کلید مختصات نمونه ای عالی از بارورسازی متقابل ایده های تکنولوژیکی است. Betulander سوئیچ تمام رله خود را ایجاد کرد، سپس آن را با ماتریس سوئیچینگ رینولدز بهبود بخشید و عملکرد طراحی حاصل را ثابت کرد. مهندسان AT&T بعداً این سوئیچ هیبریدی را دوباره طراحی کردند، آن را بهبود بخشیدند و سیستم مختصات شماره 1 را ایجاد کردند. این سیستم سپس جزء دو کامپیوتر اولیه شد که یکی از آنها اکنون به عنوان نقطه عطفی در تاریخ محاسبات شناخته می شود.

کار ریاضی

برای درک اینکه چگونه و چرا رله‌ها و پسرعموهای الکترونیکی آن‌ها به ایجاد انقلاب در محاسبات کمک کردند، به یک حمله کوتاه به دنیای حساب دیفرانسیل و انتگرال نیاز داریم. پس از آن مشخص خواهد شد که چرا تقاضای پنهانی برای بهینه سازی فرآیندهای محاسباتی وجود داشته است.

در آغاز قرن بیستم، کل سیستم علوم و مهندسی مدرن بر اساس کار هزاران نفر که محاسبات ریاضی را انجام می دادند، بود. آنها فراخوانده شدند کامپیوترها (کامپیوتر) [برای جلوگیری از سردرگمی، این عبارت در سراسر متن استفاده خواهد شد ماشین حساب ها. - توجه داشته باشید. مسیر]. در دهه 1820، چارلز بابیج خلق کرد ماشین تفاوت (اگرچه دستگاه او پیشینیان ایدئولوژیک داشت). وظیفه اصلی آن، خودکار ساختن جداول ریاضی، به عنوان مثال برای ناوبری (محاسبه توابع مثلثاتی با تقریب های چند جمله ای در 0 درجه، 0,01 درجه، 0,02 درجه و غیره) بود. همچنین تقاضای زیادی برای محاسبات ریاضی در نجوم وجود داشت: پردازش نتایج خام مشاهدات تلسکوپی در مناطق ثابت کره آسمانی (بسته به زمان و تاریخ مشاهدات) یا تعیین مدار اجرام جدید ضروری بود (به عنوان مثال، دنباله دار هالی).

از زمان بابیج، نیاز به ماشین های محاسباتی چندین برابر افزایش یافته است. شرکت های برق نیاز به درک رفتار سیستم های انتقال قدرت ستون فقرات با خواص دینامیکی بسیار پیچیده داشتند. اسلحه های فولادی بسمر، که قادر به پرتاب پوسته در افق بودند (و بنابراین، به لطف مشاهده مستقیم هدف، دیگر هدف قرار نمی گرفتند)، به جداول بالستیک با دقت فزاینده ای نیاز داشتند. ابزارهای آماری جدید که شامل مقادیر زیادی از محاسبات ریاضی بود (مانند روش حداقل مربعات) به طور فزاینده ای هم در علم و هم در دستگاه رو به رشد دولتی استفاده می شد. بخش‌های محاسباتی در دانشگاه‌ها، سازمان‌های دولتی و شرکت‌های صنعتی پدید آمدند که معمولاً زنان را استخدام می‌کردند.

ماشین حساب های مکانیکی فقط مشکل محاسبات را آسان کردند، اما آن را حل نکردند. ماشین‌حساب‌ها عملیات حسابی را سرعت می‌بخشیدند، اما هر مشکل پیچیده علمی یا مهندسی به صدها یا هزاران عملیات نیاز داشت، که هر یک از آن‌ها را ماشین‌حساب (انسان) باید به صورت دستی انجام می‌داد و با دقت تمام نتایج میانی را ثبت می‌کرد.

عوامل متعددی در پیدایش رویکردهای جدید برای مسئله محاسبات ریاضی نقش داشتند. دانشمندان و مهندسان جوانی که شبانه وظایف خود را به طرز دردناکی محاسبه می کردند، می خواستند به دست و چشم خود استراحت دهند. مدیران پروژه مجبور شدند برای دستمزد رایانه های متعدد، به ویژه پس از جنگ جهانی اول، پول بیشتری بپردازند. در نهایت، بسیاری از مسائل پیشرفته علمی و مهندسی برای محاسبه با دست دشوار بود. همه این عوامل منجر به ایجاد مجموعه ای از رایانه ها شد که کار بر روی آنها تحت رهبری وانوار بوش، مهندس برق در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) انجام شد.

تجزیه و تحلیل دیفرانسیل

تا این لحظه، تاریخ اغلب غیرشخصی بوده است، اما اکنون ما بیشتر در مورد افراد خاص صحبت خواهیم کرد. شهرت بیش از سازندگان سوئیچ پانل، رله نوع E و مدار نشانگر فیدوشیال گذشت. حتی حکایت های زندگی نامه ای در مورد آنها باقی نمانده است. تنها شواهد در دسترس عموم از زندگی آنها، بقایای فسیلی ماشین هایی است که آنها ساخته اند.

اکنون می توانیم درک عمیق تری از مردم و گذشته آنها به دست آوریم. اما ما دیگر با کسانی که در اتاق های زیر شیروانی و کارگاه های خانه سخت کار می کردند - مورس و ویل، بل و واتسون - نخواهیم دید. با پایان جنگ جهانی اول، دوران مخترعان قهرمان تقریباً به پایان رسیده بود. توماس ادیسون را می توان یک چهره انتقالی در نظر گرفت: در ابتدای کار خود یک مخترع اجیر شده بود و در پایان آن صاحب یک "کارخانه اختراعات" شد. در آن زمان، توسعه قابل توجه ترین فن آوری های جدید به حوزه سازمان ها تبدیل شده بود - دانشگاه ها، بخش های تحقیقاتی شرکت ها، آزمایشگاه های دولتی. افرادی که در این بخش درباره آنها صحبت خواهیم کرد متعلق به چنین سازمان هایی بودند.

مثلاً وانوار بوش. او در سال 1919، زمانی که 29 سال داشت، به دانشگاه MIT رسید. کمی بیش از 20 سال بعد، او یکی از افرادی بود که بر مشارکت ایالات متحده در جنگ جهانی دوم تأثیر گذاشت و به افزایش بودجه دولتی کمک کرد، که برای همیشه رابطه بین دولت، دانشگاه و توسعه علم و فناوری را تغییر داد. اما برای اهداف این مقاله، ما به مجموعه‌ای از ماشین‌ها علاقه‌مندیم که از اواسط دهه 1920 در آزمایشگاه بوش ساخته شدند و برای حل مشکل محاسبات ریاضی در نظر گرفته شدند.

MIT که اخیراً از بوستون مرکزی به ساحل رودخانه چارلز در کمبریج نقل مکان کرده بود، از نزدیک با نیازهای صنعت هماهنگ بود. خود بوش، علاوه بر مقام استادی، در چندین شرکت در زمینه الکترونیک منافع مالی داشت. بنابراین جای تعجب نیست که مشکلی که بوش و شاگردانش را بر آن داشت تا روی دستگاه محاسباتی جدید کار کنند، در صنعت انرژی سرچشمه گرفته است: شبیه سازی رفتار خطوط انتقال در شرایط اوج بار. بدیهی است که این تنها یکی از بسیاری از کاربردهای ممکن کامپیوترها بود: محاسبات ریاضی خسته کننده در همه جا انجام می شد.

بوش و همکارانش ابتدا دو ماشین به نام محصول اینتگراف ساختند. اما معروف ترین و موفق ترین ماشین MIT یکی دیگر بود - آنالایزر دیفرانسیل، در سال 1931 تکمیل شد. او مسائل مربوط به انتقال الکتریسیته را حل کرد، مدارهای الکترون ها، مسیرهای تابش کیهانی در میدان مغناطیسی زمین و بسیاری موارد دیگر را محاسبه کرد. محققان در سراسر جهان که به قدرت محاسباتی نیاز داشتند، ده‌ها نسخه و تنوع از تحلیلگر دیفرانسیل را در دهه 1930 ایجاد کردند. برخی از آنها حتی اهل مکانو هستند (آنالوگ انگلیسی مجموعه های ساخت و ساز کودکان آمریکایی این برند مجموعه ایکتور).

آنالایزر دیفرانسیل یک کامپیوتر آنالوگ است. توابع ریاضی با استفاده از میله های فلزی دوار محاسبه شدند که سرعت چرخش هر یک از آنها مقدار کمی را منعکس می کرد. موتور یک میله مستقل را حرکت داد - یک متغیر (معمولاً نشان دهنده زمان) است که به نوبه خود میله های دیگر (متغیرهای دیفرانسیل مختلف) را از طریق اتصالات مکانیکی می چرخاند و یک تابع بر اساس سرعت چرخش ورودی محاسبه می شود. نتایج محاسبات بر روی کاغذ به صورت منحنی ترسیم شد. مهمترین اجزاء یکپارچه کننده ها بودند - چرخ هایی که به صورت دیسک می چرخیدند. یکپارچه سازها می توانند انتگرال یک منحنی را بدون محاسبات دستی خسته کننده محاسبه کنند.

تجزیه و تحلیل دیفرانسیل. ماژول یکپارچه - با یک درب برجسته، در کنار پنجره جداول با نتایج محاسبات وجود دارد، و در وسط - مجموعه ای از میله های محاسباتی

هیچ یک از اجزای آنالایزر حاوی رله های سوئیچینگ گسسته یا سوئیچ های دیجیتالی نبود. پس چرا در مورد این دستگاه صحبت می کنیم؟ پاسخ این است چهارم ماشین خانوادگی

در اوایل دهه 1930، بوش شروع به خواستگاری با بنیاد راکفلر کرد تا بودجه ای برای توسعه بیشتر آنالایزر به دست آورد. وارن ویور، رئیس علوم طبیعی بنیاد، در ابتدا قانع نشد. مهندسی حوزه تخصص او نبود. اما بوش از پتانسیل بی حد و حصر ماشین جدیدش برای کاربردهای علمی - به ویژه در زیست شناسی ریاضی، پروژه حیوان خانگی ویور، استفاده کرد. بوش همچنین قول بهبودهای متعددی را برای آنالایزر داده است، از جمله "توانایی تغییر سریع آنالایزر از یک مشکل به مشکل دیگر، مانند تابلوی تلفن." در سال 1936، تلاش های او با کمک هزینه 85 دلاری برای ایجاد دستگاه جدیدی که بعدها آنالایزر دیفرانسیل راکفلر نام گرفت، پاداش گرفت.

به عنوان یک کامپیوتر عملی، این تحلیلگر موفقیت بزرگی نبود. بوش که معاون و رئیس مهندسی MIT شد، نتوانست زمان زیادی را برای هدایت توسعه اختصاص دهد. در واقع، او به زودی کناره گیری کرد و به عنوان رئیس مؤسسه کارنگی در واشنگتن مشغول به کار شد. بوش احساس کرد که جنگ در حال نزدیک شدن است، و او چندین ایده علمی و صنعتی داشت که می توانست نیازهای ارتش را برآورده کند. یعنی می‌خواست به مرکز قدرت نزدیک‌تر باشد، جایی که بتواند تأثیر مؤثرتری بر حل برخی مسائل داشته باشد.

در همان زمان، مشکلات فنی دیکته شده توسط طراحی جدید توسط کارکنان آزمایشگاه حل شد و آنها به زودی شروع به منحرف شدن برای کار بر روی مسائل نظامی کردند. ماشین راکفلر تنها در سال 1942 تکمیل شد. ارتش آن را برای تولید در خط میزهای بالستیک برای توپخانه مفید یافت. اما به زودی این دستگاه کاملا تحت الشعاع قرار گرفت دیجیتال کامپیوترها - اعداد را نه به عنوان کمیت های فیزیکی، بلکه به صورت انتزاعی و با استفاده از موقعیت های سوئیچ نشان می دهند. اتفاقی افتاد که خود آنالایزر راکفلر از تعداد زیادی سوئیچ مشابه متشکل از مدارهای رله استفاده کرد.

شانون

در سال 1936، کلود شانون تنها 20 سال داشت، اما او قبلاً از دانشگاه میشیگان با مدرک لیسانس در مهندسی برق و ریاضیات فارغ التحصیل شده بود. او توسط یک بروشور که به تابلوی اعلانات چسبانده شده بود به MIT آورده شد. وانوار بوش به دنبال دستیار جدیدی برای کار بر روی تحلیلگر دیفرانسیل بود. شانون بدون تردید درخواست خود را ارسال کرد و به زودی در حال کار بر روی مشکلات جدید قبل از شروع شکل گیری دستگاه جدید بود.

شانون هیچ شباهتی به بوش نداشت. او نه یک تاجر بود، نه یک امپراتوری ساز دانشگاهی و نه یک مدیر. او در تمام زندگی خود عاشق بازی، پازل و سرگرمی بود: شطرنج، شعبده بازی، پیچ و خم ها، رمزنگاری. مانند بسیاری از مردان دوره خود، در طول جنگ، شانون خود را وقف تجارت جدی کرد: او در آزمایشگاه بل تحت یک قرارداد دولتی، که بدن ضعیف او را از خدمت سربازی محافظت می کرد، سمتی داشت. تحقیقات او در مورد کنترل آتش و رمزنگاری در این دوره به نوبه خود به کار اساسی در مورد نظریه اطلاعات منجر شد (که ما به آن اشاره نمی کنیم). در دهه 1950، با فروکش کردن جنگ و پیامدهای آن، شانون به تدریس در MIT بازگشت و اوقات فراغت خود را صرف انحرافات کرد: ماشین حسابی که منحصراً با اعداد رومی کار می کرد. یک ماشین، وقتی روشن شد، یک بازوی مکانیکی از آن ظاهر شد و دستگاه را خاموش کرد.

ساختار ماشین راکفلر که شانون با آن روبرو شد از نظر منطقی مشابه ساختار آنالایزر 1931 بود، اما از اجزای فیزیکی کاملاً متفاوت ساخته شده بود. بوش متوجه شد که میله‌ها و چرخ‌دنده‌های مکانیکی در ماشین‌های قدیمی کارایی استفاده از آنها را کاهش می‌دهد: برای انجام محاسبات، ماشین باید راه‌اندازی می‌شد که نیازمند ساعت‌های انسانی زیادی توسط مکانیک‌های ماهر بود.

آنالایزر جدید این اشکال را از دست داده است. طراحی آن بر اساس یک میز با میله نبود، بلکه بر اساس یک کموتاتور متقاطع دیسکی بود، نمونه اولیه مازاد اهدایی آزمایشگاه بل. به جای انتقال نیرو از یک شفت مرکزی، هر ماژول انتگرال به طور مستقل توسط یک موتور الکتریکی هدایت می شد. برای پیکربندی دستگاه برای حل یک مشکل جدید، کافی بود به سادگی رله‌ها را در ماتریس مختصات پیکربندی کنید تا انتگرال‌ها را به ترتیب دلخواه متصل کنید. یک نوارخوان پانچ شده (قرض گرفته شده از یک دستگاه مخابراتی دیگر، رول تله تایپ) پیکربندی دستگاه را می خواند، و یک مدار رله سیگنال را از نوار به سیگنال های کنترلی برای ماتریس تبدیل می کرد - این مانند برقراری یک سری تماس های تلفنی بین یکپارچه کننده ها بود.

دستگاه جدید نه تنها بسیار سریعتر و آسانتر برای راه اندازی بود، بلکه سریعتر و دقیقتر از مدل قبلی خود بود. او می تواند مشکلات پیچیده تری را حل کند. امروزه ممکن است این رایانه بدوی و حتی اسراف‌آمیز در نظر گرفته شود، اما در آن زمان به نظر ناظران هوش عالی - یا شاید وحشتناکی در کار بود:

در اصل، این یک ربات ریاضی است. خودکاری با نیروی الکتریکی که نه تنها برای رهایی مغز انسان از بار سنگین محاسبات و تجزیه و تحلیل، بلکه برای حمله و حل مسائل ریاضی طراحی شده است که توسط ذهن قابل حل نیست.

شانون روی تبدیل داده ها از نوار کاغذی به دستورالعمل های "مغز" متمرکز شد و مدار رله مسئول این عملیات بود. او متوجه تطابق بین ساختار مدار و ساختارهای ریاضی جبر بولی شد که در مقطع کارشناسی ارشد در میشیگان تحصیل کرد. این جبری است که عملوندهای آن بودند درست و نادرستو توسط اپراتورها - و، یا، نه و غیره جبر مربوط به گزاره های منطقی.

شانون پس از گذراندن تابستان 1937 در آزمایشگاه های بل در منهتن (محلی ایده آل برای تفکر در مورد مدارهای رله)، پایان نامه کارشناسی ارشد خود را با عنوان "تحلیل نمادین رله و مدارهای سوئیچینگ" نوشت. همراه با کار آلن تورینگ در سال قبل، تز شانون پایه و اساس علم محاسبات را تشکیل داد.

در دهه‌های 1940 و 1950، شانون چندین ماشین محاسباتی/منطقی ساخت: ماشین‌حساب حساب رومی THROBAC، ماشین پایان بازی شطرنج، و تسئوس، هزارتویی که در آن یک موش الکترومکانیکی حرکت می‌کرد (تصویر)

شانون کشف کرد که یک سیستم معادلات منطقی گزاره ای را می توان مستقیماً به صورت مکانیکی به یک مدار فیزیکی از کلیدهای رله تبدیل کرد. وی در پایان گفت: عملاً هر عملیاتی که بتوان آن را در تعداد محدودی از مراحل با استفاده از کلمات توصیف کرد اگر، و، یا و غیره، می تواند به طور خودکار با استفاده از یک رله انجام شود. به عنوان مثال، دو رله سوئیچ کنترل شده که به صورت سری به هم متصل شده اند یک منطقی را تشکیل می دهند И: جریان فقط زمانی از سیم اصلی عبور می کند که هر دو آهنربای الکتریکی برای بستن کلیدها فعال شوند. در همان زمان، دو رله به صورت موازی متصل می شوند OR: جریان از مدار اصلی عبور می کند که توسط یکی از آهنرباهای الکتریکی فعال می شود. خروجی چنین مدار منطقی به نوبه خود می تواند مغناطیس های الکترومغناطیس رله های دیگر را کنترل کند تا عملیات منطقی پیچیده تری مانند (A И ب) یا (C И ز).

شانون پایان نامه خود را با یک ضمیمه شامل چندین نمونه از مدارهای ایجاد شده با روش او به پایان رساند. از آنجایی که عملیات جبر بولی بسیار شبیه به عملیات حسابی در باینری است (یعنی با استفاده از اعداد باینری)، او نشان داد که چگونه می توان یک رله را به یک "جمع کننده الکتریکی در دودویی" جمع کرد - ما آن را جمع کننده باینری می نامیم. چند ماه بعد، یکی از دانشمندان آزمایشگاه بل، چنین جمع کننده ای را روی میز آشپزخانه خود ساخت.

استیبیتز

جورج استیبیتز، محقق دپارتمان ریاضیات در دفتر مرکزی آزمایشگاه‌های بل در منهتن، در یک غروب تاریک نوامبر سال 1937، مجموعه‌ای از تجهیزات عجیب را به خانه آورد. سلول های باتری خشک، دو چراغ کوچک برای پنل های سخت افزاری و چند رله تخت نوع U که در سطل زباله یافت می شوند. با افزودن چند سیم و مقداری آشغال، او دستگاهی را مونتاژ کرد که می‌توانست دو عدد دودویی یک رقمی (که با وجود یا عدم وجود ولتاژ ورودی نشان داده می‌شود) اضافه کند و یک عدد دو رقمی را با استفاده از لامپ‌ها تولید کند: یک برای روشن، صفر. برای خاموش.

جمع کننده باینری استیبیتز

از استیبیتز، فیزیکدانی با آموزش، خواسته شد تا خواص فیزیکی آهنرباهای رله را ارزیابی کند. او اصلاً تجربه قبلی با رله‌ها نداشت و بنابراین با مطالعه استفاده از آنها در مدارهای تلفن بل شروع کرد. جورج به زودی متوجه شباهت هایی بین برخی از مدارها و عملیات حسابی باینری شد. او که شیفته بود، پروژه کناری خود را روی میز آشپزخانه مونتاژ کرد.

در ابتدا، سرگرمی استیبیتز با رله ها علاقه کمی را در بین مدیریت آزمایشگاه های بل برانگیخت. اما در سال 1938، رئیس گروه تحقیقاتی از جورج پرسید که آیا ماشین‌حساب‌های او را می‌توان برای عملیات‌های حسابی با اعداد مختلط (مثلاً a+biجایی که i جذر یک عدد منفی است). معلوم شد که چندین بخش محاسباتی در آزمایشگاه‌های بل قبلاً ناله می‌کردند، زیرا دائماً مجبور بودند چنین اعدادی را ضرب و تقسیم کنند. ضرب یک عدد مختلط به چهار عملیات حسابی روی یک ماشین حساب رومیزی نیاز داشت، تقسیم به 16 عمل نیاز داشت. استیبیتز گفت که می تواند مشکل را حل کند و یک مدار ماشینی برای چنین محاسباتی طراحی کرده است.

طرح نهایی که توسط مهندس تلفن ساموئل ویلیامز در فلز تجسم یافته بود، رایانه شماره پیچیده - یا به اختصار رایانه پیچیده - نام داشت و در سال 1940 راه اندازی شد. 450 رله برای محاسبات استفاده شد، نتایج میانی در ده سوئیچ مختصات ذخیره شد. داده ها با استفاده از تله تایپ رول وارد و دریافت شدند. دپارتمان‌های آزمایشگاه بل سه نوع تله تایپ را نصب کردند که نشان‌دهنده نیاز زیاد به قدرت محاسباتی است. رله ها، ماتریس ها، تله تایپ ها - از هر نظر محصولی از سیستم بل بود.

بهترین ساعت کامپیوتر پیچیده در 11 سپتامبر 1940 رخ داد. استیبیتز در جلسه انجمن ریاضی آمریکا در کالج دارتموث گزارشی درباره کامپیوتر ارائه کرد. او موافقت کرد که یک تله تایپ با اتصال تلگراف به Complex Computer در منهتن، در فاصله 400 کیلومتری، در آنجا نصب شود. علاقه مندان می توانند به سراغ تله تایپ رفته، شرایط مشکل را روی صفحه کلید وارد کنند و ببینند که چگونه تله تایپ در کمتر از یک دقیقه نتیجه را به صورت جادویی چاپ می کند. از جمله کسانی که محصول جدید را آزمایش کردند، جان ماچلی و جان فون نویمان بودند که هر کدام نقش مهمی در ادامه داستان ما داشتند.

شرکت کنندگان در جلسه نمایی کوتاه از دنیای آینده را دیدند. بعداً، رایانه‌ها آنقدر گران شدند که مدیران دیگر نمی‌توانستند به آنها اجازه دهند بیکار بنشینند در حالی که کاربر چانه‌اش را جلوی کنسول مدیریت می‌خراشید و فکر می‌کرد بعد از آن چه چیزی تایپ کند. در طی 20 سال آینده، دانشمندان به این فکر خواهند کرد که چگونه کامپیوترهای همه منظوره بسازند که همیشه منتظر شما باشند تا داده ها را در آنها وارد کنید، حتی زمانی که روی چیز دیگری کار می کنید. و سپس 20 سال دیگر می گذرد تا این حالت تعاملی محاسبات به دستور روز تبدیل شود.

استیبیتز پشت ترمینال تعاملی دارتموث در دهه 1960. کالج دارتموث پیشگام در محاسبات تعاملی بود. استیبیتس در سال 1964 استاد کالج شد

جای تعجب است که، با وجود مشکلاتی که حل می کند، Complex Computer، با استانداردهای مدرن، اصلا یک کامپیوتر نیست. این می تواند عملیات حسابی را روی اعداد مختلط انجام دهد و احتمالاً مسائل مشابه دیگر را حل کند، اما مسائل همه منظوره را حل نمی کند. قابل برنامه ریزی نبود او نمی توانست عملیات را به ترتیب تصادفی یا مکرر انجام دهد. این ماشین حسابی بود که می توانست محاسبات خاصی را بسیار بهتر از مدل های قبلی خود انجام دهد.

با شروع جنگ جهانی دوم، بل، تحت رهبری استیبیتز، مجموعه ای از رایانه ها به نام های مدل II، مدل III و مدل IV را ایجاد کرد (کامپیوتر پیچیده، بر این اساس، مدل I نام گرفت). اکثر آنها به درخواست کمیته تحقیقات دفاع ملی ساخته شدند و کسی جز وانوار بوش آن را رهبری نمی کرد. Stibitz طراحی ماشین ها را از نظر تطبیق پذیری بیشتر عملکردها و قابلیت برنامه ریزی بهبود بخشید.

به عنوان مثال، ماشین حساب بالستیک (بعدها مدل III) برای نیازهای سیستم های کنترل آتش ضد هوایی ساخته شد. در سال 1944 در فورت بلیس، تگزاس به بهره برداری رسید. این دستگاه حاوی 1400 رله بود و می‌توانست برنامه‌ای از عملیات ریاضی را اجرا کند که با دنباله‌ای از دستورالعمل‌ها روی نوار کاغذی حلقه‌دار تعیین می‌شد. یک نوار با داده های ورودی به طور جداگانه و داده های جدولی به طور جداگانه ارائه شد. این امکان یافتن سریع مقادیر، به عنوان مثال، توابع مثلثاتی را بدون محاسبات واقعی فراهم کرد. مهندسان بل مدارهای جستجوی ویژه ای (مدارهای شکار) ایجاد کردند که نوار را به جلو/عقب اسکن می کردند و بدون توجه به محاسبات، آدرس مقدار جدول مورد نظر را جستجو می کردند. استی‌بیتز دریافت که کامپیوتر مدل III او، با کلیک کردن روی رله‌ها در روز و شب، جایگزین ۲۵ تا ۴۰ کامپیوتر شد.

قفسه های رله بل مدل III

ماشین مدل V دیگر فرصتی برای دیدن خدمت سربازی نداشت. حتی همه کاره تر و قدرتمندتر شده است. اگر تعداد کامپیوترهایی را که جایگزین کرده است ارزیابی کنیم، تقریباً ده برابر بزرگتر از مدل III است. چندین ماژول محاسباتی با 9 هزار رله می توانند داده های ورودی را از چندین ایستگاه دریافت کنند، جایی که کاربران شرایط وظایف مختلف را وارد می کنند. هر ایستگاه یک نوارخوان برای ورود داده ها و پنج نوار برای دستورالعمل داشت. این امکان فراخوانی زیربرنامه های مختلف را از نوار اصلی در هنگام محاسبه یک کار فراهم می کرد. ماژول کنترل اصلی (که اساساً آنالوگ سیستم عامل است) دستورالعمل ها را بین ماژول های محاسباتی بسته به در دسترس بودن آنها توزیع می کند و برنامه ها می توانند شاخه های مشروط را انجام دهند. این دیگر فقط یک ماشین حساب نبود.

سال معجزه: 1937

سال 1937 را می توان نقطه عطفی در تاریخ محاسبات دانست. در آن سال، شانون و استیبیتز متوجه شباهت‌هایی بین مدارهای رله و توابع ریاضی شدند. این یافته ها آزمایشگاه های بل را به ایجاد یک سری ماشین های دیجیتال مهم سوق داد. یه جورایی بود معافیت - یا حتی جایگزینی - زمانی که یک رله تلفنی معمولی، بدون تغییر شکل فیزیکی خود، تجسم ریاضیات و منطق انتزاعی شد.

در همان سال در شماره ژانویه نشریه مجموعه مقالات انجمن ریاضی لندن مقاله ای توسط آلن تورینگ ریاضیدان بریتانیایی منتشر کرد: «درباره اعداد قابل محاسبه در رابطه با مشکل حل(درباره اعداد قابل محاسبه، با یک برنامه کاربردی برای Entscheidungsproblem). این یک ماشین محاسباتی جهانی را توصیف می کند: نویسنده استدلال می کند که می تواند اقداماتی را انجام دهد که از نظر منطقی معادل اقدامات رایانه های انسانی است. تورینگ که سال قبل وارد مقطع کارشناسی ارشد در دانشگاه پرینستون شده بود، شیفته مدارهای رله نیز بود. و او نیز مانند بوش نگران افزایش تهدید جنگ با آلمان است. بنابراین او یک پروژه رمزنگاری جانبی را آغاز کرد - یک ضریب باینری که می‌توان از آن برای رمزگذاری ارتباطات نظامی استفاده کرد. تورینگ آن را از رله‌های مونتاژ شده در ماشین‌فروشی دانشگاه ساخت.

همچنین در سال 1937، هوارد آیکن در مورد یک ماشین محاسبات خودکار پیشنهادی فکر می کرد. آیکن که دانشجوی فارغ التحصیل رشته مهندسی برق هاروارد بود، سهم خود را از محاسبات تنها با استفاده از یک ماشین حساب مکانیکی و چاپ کتاب های جداول ریاضی انجام داد. او طرحی را پیشنهاد کرد که این روال را از بین ببرد. برخلاف دستگاه‌های محاسباتی موجود، قرار بود فرآیندها را به صورت خودکار و چرخه‌ای پردازش کند و از نتایج محاسبات قبلی به عنوان ورودی برای محاسبات بعدی استفاده کند.

در همین حال، در شرکت نیپون الکتریک، مهندس مخابرات آکیرا ناکاشیما از سال 1935 به بررسی اتصالات بین مدارهای رله و ریاضیات پرداخته بود. سرانجام، در سال 1938، او به طور مستقل هم ارزی مدارهای رله را با جبر بولی که شانون یک سال قبل کشف کرده بود، اثبات کرد.

در برلین، کنراد زوزه، مهندس سابق هواپیما که از محاسبات بی پایان مورد نیاز در محل کار خسته شده بود، به دنبال بودجه برای ساخت کامپیوتر دوم بود. او نمی‌توانست اولین دستگاه مکانیکی خود، V1 را به‌طور قابل‌اعتماد بسازد، بنابراین می‌خواست یک کامپیوتر رله بسازد که با همکاری دوستش، مهندس مخابرات هلموت شرایر، آن را توسعه داد.

تطبیق پذیری رله های تلفن، نتیجه گیری در مورد منطق ریاضی، تمایل ذهن های باهوش برای رهایی از کارهای بی حس کننده - همه اینها در هم تنیده شده و منجر به پیدایش ایده نوع جدیدی از ماشین منطقی شد.

نسل فراموش شده

ثمره اکتشافات و تحولات سال 1937 باید چندین سال می رسید. جنگ ثابت کرد که قوی‌ترین کود است و با ظهور آن، رایانه‌های رله در هر کجا که تخصص فنی لازم وجود داشت ظاهر شدند. منطق ریاضی به پرده درختان انگور مهندسی برق تبدیل شد. اشکال جدیدی از ماشین های محاسباتی قابل برنامه ریزی پدیدار شد - اولین طرح از کامپیوترهای مدرن.

علاوه بر ماشین‌های استی‌بیتز، تا سال 1944، ایالات متحده می‌توانست از ماشین حساب کنترل‌شده با توالی خودکار (ASCC) هاروارد Mark I/IBM که نتیجه پیشنهاد آیکن بود، به خود ببالد. این نام دوگانه به دلیل وخامت روابط بین دانشگاه و صنعت به وجود آمد: همه ادعای حقوق دستگاه را داشتند. Mark I/ASCC از مدارهای کنترل رله استفاده می کرد، اما واحد حسابی اصلی بر اساس معماری ماشین حساب های مکانیکی IBM بود. این وسیله نقلیه برای نیازهای اداره کشتی سازی ایالات متحده ایجاد شده است. جانشین آن، Mark II، در سال 1948 در یک سایت آزمایش نیروی دریایی شروع به کار کرد و تمام عملیات آن کاملاً بر اساس رله - 13 رله بود.

در طول جنگ، Zuse چندین کامپیوتر رله ساخت که پیچیده تر شدند. نقطه اوج V4 بود که مانند Bell Model V شامل تنظیمات فراخوانی زیربرنامه ها و انجام شاخه های شرطی بود. به دلیل کمبود مواد در ژاپن، هیچ یک از طرح های ناکاشیما و هموطنانش در فلز ساخته نشد تا اینکه کشور از جنگ نجات یافت. در دهه 1950، وزارت تجارت و صنعت خارجی که تازه تأسیس شده بود، هزینه ساخت دو دستگاه رله را تأمین کرد که دومی آن یک هیولا با 20 هزار رله بود. فوجیتسو که در ساخت شرکت داشت، محصولات تجاری خود را توسعه داده است.

امروزه این ماشین ها تقریباً به طور کامل فراموش شده اند. فقط یک نام در حافظه باقی مانده است - ENIAC. دلیل فراموشی آنها به پیچیدگی، قابلیت ها یا سرعت آنها مربوط نمی شود. خواص محاسباتی و منطقی رله ها که توسط دانشمندان و محققان کشف شده است، در مورد هر نوع وسیله ای که می تواند به عنوان سوئیچ عمل کند، صدق می کند. و به این ترتیب اتفاق افتاد که دستگاه مشابه دیگری در دسترس بود - الکترونیکی کلیدی که می تواند صدها برابر سریعتر از یک رله کار کند.

اهمیت جنگ جهانی دوم در تاریخ محاسبات باید از قبل آشکار باشد. وحشتناک ترین جنگ انگیزه ای برای توسعه ماشین های الکترونیکی شد. راه اندازی آن منابع مورد نیاز برای غلبه بر کاستی های آشکار سوئیچ های الکترونیکی را آزاد کرد. سلطنت کامپیوترهای الکترومکانیکی کوتاه مدت بود. آنها نیز مانند تایتان ها توسط فرزندانشان سرنگون شدند. سوئیچینگ الکترونیکی نیز مانند رله ها از نیازهای صنعت مخابرات ناشی می شود. و برای اینکه بفهمیم از کجا آمده است، باید تاریخ خود را به لحظه ای در طلوع عصر رادیو برگردانیم.

منبع: www.habr.com