Meidän kuvaili automaattisten puhelinkytkimien nousua, joita ohjattiin relepiireillä. Tällä kertaa haluamme puhua siitä, kuinka tiedemiehet ja insinöörit kehittivät relepiirejä digitaalisten tietokoneiden ensimmäisessä - nyt unohdellussa - sukupolvessa.
Rele huipussaan
Jos muistat, releen toiminta perustuu yksinkertaiseen periaatteeseen: sähkömagneetti käyttää metallikytkintä. Rele-ideaa ehdottivat itsenäisesti useat lennätinalan luonnontieteilijät ja yrittäjät 1830-luvulla. Sitten XNUMX-luvun puolivälissä keksijät ja mekaniikka muuttivat releet luotettavaksi ja välttämättömäksi osaksi lennätinverkkoja. Juuri tällä alueella releen käyttöikä saavutti huippunsa: se pienennettiin, ja insinöörien sukupolvet loivat lukemattomia malleja harjoitellessaan muodollisesti matematiikkaa ja fysiikkaa.
1870-luvun alussa ei ainoastaan automaattiset kytkentäjärjestelmät, vaan myös lähes kaikki puhelinverkkolaitteet sisälsivät jonkinlaisen releen. Yksi varhaisimmista käyttötavoista puhelinliikenteessä juontaa juurensa XNUMX-luvulta käsikäyttöisissä vaihteistoissa. Kun tilaaja käänsi puhelimen kahvaa (magnetokahva), puhelinkeskukseen lähetettiin signaali, joka käynnisti tehosekoittimen. Aihio on rele, joka laukeaessaan pudottaa puhelinoperaattorin keskukseen metalliläpän, joka ilmoittaa saapuvasta puhelusta. Sitten nuori nainen laittoi pistokkeen liittimeen, rele nollattiin, minkä jälkeen läppä oli mahdollista nostaa uudelleen, jota sähkömagneetti piti tässä asennossa.
Vuoteen 1924 mennessä kaksi Bellin insinööriä kirjoitti, että tyypillinen manuaalinen puhelinkeskus palveli noin 10 40 tilaajaa. Hänen varusteensa sisälsi 65-10 tuhatta relettä, joiden magneettinen kokonaisvoima oli "riittävä nostamaan XNUMX tonnia". Suurissa puhelinkeskuksissa, joissa oli konekytkimet, nämä ominaisuudet kerrottiin kahdella. Yhdysvaltain puhelinjärjestelmässä käytettiin monia miljoonia releitä, ja määrä kasvoi jatkuvasti puhelinvaihteiden automatisoituessa. Yhtä puhelinyhteyttä voisi palvella muutamasta useaan sataan releeseen riippuen kyseessä olevien puhelinkeskusten lukumäärästä ja varustelusta.
Bell Corporationin valmistavan tytäryhtiön Western Electricin tehtaat tuottivat valtavan valikoiman releitä. Insinöörit ovat luoneet niin monia muunnelmia, että kehittyneimmät koirankasvattajat tai kyyhkystenhoitajat kadehtivat tätä lajiketta. Releen toimintanopeus ja herkkyys optimoitiin ja mittoja pienennettiin. Vuonna 1921 Western Electric tuotti lähes 5 miljoonaa relettä sadasta perustyypistä. Suosituin oli Type E -yleisrele, litteä, lähes suorakaiteen muotoinen laite, joka painoi useita kymmeniä grammoja. Suurin osa se tehtiin leimatuista metalliosista, eli se oli teknisesti edistynyt tuotannossa. Kotelo suojasi koskettimet pölyltä ja viereisten laitteiden indusoituneilta virroilta: yleensä releet asennettiin lähekkäin, satojen ja tuhansien releiden telineisiin. Kaikkiaan kehitettiin 3 XNUMX E-tyypin versiota, joista jokaisella oli eri käämi- ja kosketinkonfiguraatiot.
Pian näitä releitä alettiin käyttää monimutkaisimmissa kytkimissä.
Koordinaattikommutaattori
Vuonna 1910 Gotthilf Betulander, insinööri Royal Telegrafverketissä, valtionyhtiössä, joka hallitsi suurinta osaa Ruotsin puhelinmarkkinoista (vuosikymmeniä, melkein kaikkia niitä), sai idean. Hän uskoi pystyvänsä parantamaan Telegrafverketin toiminnan tehokkuutta huomattavasti rakentamalla täysin releisiin perustuvia automaattisia kytkentäjärjestelmiä. Tarkemmin sanottuna relematriiseilla: puhelinlinjoihin kytketyt terästankojen ristikot, joissa on releet sauvojen leikkauskohdissa. Tällaisen kytkimen tulisi olla nopeampi, luotettavampi ja helpompi huoltaa kuin liukuviin tai pyöriviin koskettimiin perustuvien järjestelmien.
Lisäksi Betulander sai idean, että järjestelmän valinta- ja kytkentäosat olisi mahdollista erottaa itsenäisiksi relepiireiksi. Ja loput järjestelmästä tulisi käyttää vain äänikanavan muodostamiseen ja sitten vapauttaa käsittelemään toista puhelua. Toisin sanoen Betulander sai idean, jota myöhemmin kutsuttiin "yhteisohjaukseksi".
Hän kutsui piiriä, joka tallentaa saapuvan puhelun numeron "tallentimeksi" (toinen termi on rekisteri). Ja piiriä, joka löytää ja "merkitsee" käytettävissä olevan yhteyden verkkoon, kutsutaan "merkitsimeksi". Kirjoittaja patentoi järjestelmänsä. Useita tällaisia asemia ilmestyi Tukholmaan ja Lontooseen. Ja vuonna 1918 Betulander sai tietää amerikkalaisesta innovaatiosta: koordinaattikytkimestä, jonka Bell-insinööri John Reynolds loi viisi vuotta aiemmin. Tämä kytkin oli hyvin samanlainen kuin Betulanderin suunnittelu, mutta se käytti n+m huoltorele n+m matriisisolmut, mikä oli paljon kätevämpää puhelinkeskusten laajentamiseksi edelleen. Yhteyttä muodostettaessa pitotanko puristi pianon kielen "sormet" ja valintapalkki liikkui matriisia pitkin muodostaakseen yhteyden toiseen puheluun. Seuraavana vuonna Betulander sisällytti tämän idean kytkimien suunnitteluun.
Mutta useimmat insinöörit pitivät Betulanderin luomista oudona ja tarpeettoman monimutkaisena. Kun tuli aika valita kytkentäjärjestelmä Ruotsin suurimpien kaupunkien verkkojen automatisoimiseksi, Telegrafverket valitsi Ericssonin kehittämän suunnittelun. Betulander-kytkimiä käytettiin vain pienissä puhelinkeskuksissa maaseudulla: releet olivat luotettavampia kuin Ericssonin kytkimien moottoroitu automaatio, eivätkä ne vaatineet huoltoteknikoita jokaisessa keskuksessa.
Amerikkalaiset puhelininsinöörit olivat kuitenkin eri mieltä tästä asiasta. Vuonna 1930 Bell Labsin asiantuntijat saapuivat Ruotsiin ja olivat "hyvin vaikuttuneita koordinaattikytkinmoduulin parametreista". Kun amerikkalaiset palasivat, he alkoivat välittömästi työskennellä koordinaatistona nro 1 tunnetun järjestelmän parissa, joka korvasi paneelikytkimet suurissa kaupungeissa. Vuoteen 1938 mennessä New Yorkiin asennettiin kaksi tällaista järjestelmää. Niistä tuli pian kaupunkipuhelinkeskuksien vakiovarusteita, kunnes elektroniset kytkimet korvasivat ne yli 30 vuotta myöhemmin.
X-Switch nro 1:n kiinnostavin komponentti oli Bellissä kehitetty uusi, monimutkaisempi merkki. Tarkoituksena oli etsiä vapaata reittiä soittajalta kutsuttavalle useiden toisiinsa kytkettyjen koordinaattimoduulien kautta, jolloin muodostuu puhelinyhteys. Markerin piti myös testata jokainen yhteys vapaa/varattu-tilassa. Tämä vaati ehdollisen logiikan soveltamista. Kuten historioitsija Robert Chapuis kirjoitti:
Valinta on ehdollinen, koska vapaa yhteys säilytetään vain, jos se tarjoaa pääsyn verkkoon, jonka lähtönä on vapaa yhteys seuraavalle tasolle. Jos useat yhteydet täyttävät halutut ehdot, niin "etuuslogiikka" valitsee yhden vähimmistä yhteyksistä...
Koordinaattikytkin on loistava esimerkki teknologisten ideoiden ristiin hedelmällisyydestä. Betulander loi all-rele-kytkimensä, paransi sitä sitten Reynoldsin kytkentämatriisilla ja todisti tuloksena olevan mallin suorituskyvyn. AT&T:n insinöörit suunnittelivat myöhemmin tämän hybridikytkimen uudelleen, paransivat sitä ja loivat koordinaattijärjestelmän nro 1. Tästä järjestelmästä tuli sitten osa kahteen varhaiseen tietokoneeseen, joista toinen tunnetaan nykyään virstanpylväännä tietojenkäsittelyn historiassa.
Matemaattinen työ
Ymmärtääksemme, kuinka ja miksi releet ja niiden elektroniset serkut auttoivat mullistamaan tietojenkäsittelyn, tarvitsemme lyhyen tutustumisen laskennan maailmaan. Sen jälkeen selviää, miksi laskentaprosessien optimoinnille oli piilotettu tarve.
XNUMX-luvun alkuun mennessä koko modernin tieteen ja tekniikan järjestelmä perustui tuhansien matemaattisia laskelmia suorittavien ihmisten työhön. Heitä kutsuttiin tietokoneita (tietokoneet) [Sekaannusten välttämiseksi termiä käytetään koko tekstissä laskimet. - Huomautus. kaista]. Charles Babbage loi 1820-luvulla (vaikka hänen koneistollaan oli ideologisia edeltäjiä). Sen päätehtävänä oli matemaattisten taulukoiden rakentamisen automatisointi esimerkiksi navigointia varten (trigonometristen funktioiden laskenta polynomiapproksimaatioilla 0 astetta, 0,01 astetta, 0,02 astetta jne.). Myös tähtitieteen matemaattisille laskelmille oli suuri kysyntä: piti käsitellä taivaanpallon kiinteillä alueilla tehtyjen teleskooppisten havaintojen raakatuloksia (riippuen havaintojen ajasta ja päivämäärästä) tai määrittää uusien kohteiden kiertoradat (esim. Halleyn komeetta).
Babbagen ajoista lähtien laskentakoneiden tarve on moninkertaistunut. Sähköyhtiöiden täytyi ymmärtää äärimmäisen monimutkaiset dynaamiset ominaisuudet omaavien runkovoimansiirtojärjestelmien käyttäytyminen. Bessemer-teräsaseet, jotka pystyivät heittämään kuoria horisontin yli (ja siksi niitä ei enää suunnattu kohteen suoran havainnoinnin ansiosta), vaativat yhä tarkempia ballistisia pöytiä. Uusia tilastollisia työkaluja, jotka sisälsivät suuria määriä matemaattisia laskelmia (kuten pienimmän neliösumman menetelmää), käytettiin yhä enemmän sekä tieteessä että kasvavassa hallintokoneistossa. Yliopistoihin, valtion virastoihin ja teollisuusyrityksiin syntyi tietojenkäsittelyosastoja, jotka tyypillisesti rekrytoivat naisia.
Mekaaniset laskimet vain helpottavat laskelmien ongelmaa, mutta eivät ratkaisseet sitä. Laskimet nopeuttivat aritmeettisia operaatioita, mutta mikä tahansa monimutkainen tieteellinen tai tekninen ongelma vaati satoja tai tuhansia operaatioita, joista jokainen (ihmis)laskimen oli suoritettava manuaalisesti ja tallentanut huolellisesti kaikki välitulokset.
Useat tekijät vaikuttivat uusien lähestymistapojen syntymiseen matemaattisten laskelmien ongelmaan. Nuoret tiedemiehet ja insinöörit, jotka tuskallisesti laskivat tehtäviään yöllä, halusivat antaa käsilleen ja silmilleen lepoa. Projektipäälliköt joutuivat maksamaan yhä enemmän rahaa lukuisten tietokoneiden palkkoja varten, varsinkin ensimmäisen maailmansodan jälkeen. Lopuksi monia kehittyneitä tieteellisiä ja teknisiä ongelmia oli vaikea laskea käsin. Kaikki nämä tekijät johtivat tietokonesarjan luomiseen, jonka työskentely suoritettiin Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) sähköinsinöörin Vannevar Bushin johdolla.
Differentiaalianalysaattori
Tähän asti historia on usein ollut persoonatonta, mutta nyt alamme puhua enemmän tietyistä ihmisistä. Maine ohitti paneelikytkimen, E-tyypin releen ja vertailumerkkipiirin luojat. Heistä ei ole säilynyt edes elämäkerrallisia anekdootteja. Ainoa julkisesti saatavilla oleva todiste heidän elämästään on heidän luomiensa koneiden fossiiliset jäännökset.
Voimme nyt saada syvemmän ymmärryksen ihmisistä ja heidän menneisyydestään. Mutta emme enää tapaa niitä, jotka työskentelivät kovasti ullakoilla ja työpajoissa kotona - Morse ja Vail, Bell ja Watson. Ensimmäisen maailmansodan loppuun mennessä sankarillisten keksijöiden aika oli melkein ohi. Thomas Edisonia voidaan pitää siirtymähahmona: uransa alussa hän oli palkattu keksijä, ja sen lopussa hänestä tuli "keksintötehtaan" omistaja. Siihen mennessä merkittävimpien uusien teknologioiden kehittäminen oli tullut organisaatioiden – yliopistojen, yritysten tutkimusosastojen ja valtion laboratorioiden – alaan. Ihmiset, joista puhumme tässä osiossa, kuuluivat tällaisiin organisaatioihin.
Esimerkiksi Vannevar Bush. Hän saapui MIT:ään vuonna 1919 ollessaan 29-vuotias. Hieman yli 20 vuotta myöhemmin hän oli yksi niistä ihmisistä, jotka vaikuttivat Yhdysvaltojen osallistumiseen toiseen maailmansotaan ja auttoivat lisäämään valtion rahoitusta, mikä muutti ikuisesti hallituksen, korkeakoulujen sekä tieteen ja teknologian kehityksen välistä suhdetta. Mutta tämän artikkelin tarkoituksia varten olemme kiinnostuneita sarjasta koneita, jotka kehitettiin Bushin laboratoriossa 1920-luvun puolivälistä ja joiden tarkoituksena oli ratkaista matemaattisten laskelmien ongelma.
MIT, joka oli hiljattain muuttanut Bostonin keskustasta Charles Riverin ranta-alueelle Cambridgeen, oli tiiviisti linjassa teollisuuden tarpeiden kanssa. Bushilla itsellään oli professuurinsa lisäksi taloudellisia intressejä useissa elektroniikkaalan yrityksissä. Joten ei pitäisi olla yllättävää, että ongelma, joka sai Buschin ja hänen opiskelijansa työskentelemään uuden laskentalaitteen parissa, sai alkunsa energiateollisuudesta: siirtolinjojen käyttäytymisen simuloinnista huippukuormitusolosuhteissa. Ilmeisesti tämä oli vain yksi monista tietokoneiden mahdollisista sovelluksista: ikäviä matemaattisia laskelmia tehtiin kaikkialla.
Busch ja hänen kollegansa rakensivat ensin kaksi konetta, joita kutsutaan tuoteintegrafeiksi. Mutta tunnetuin ja menestynein MIT-kone oli toinen - differentiaalianalysaattori, valmistui vuonna 1931. Hän ratkaisi sähkön siirtoon liittyviä ongelmia, laski elektronien kiertoradat, kosmisen säteilyn liikeradat Maan magneettikentässä ja paljon muuta. Laskentatehoa tarvitsevat tutkijat ympäri maailmaa loivat 1930-luvulla kymmeniä kopioita ja muunnelmia differentiaalianalysaattorista. Jotkut ovat jopa Meccanosta (brändin amerikkalaisten lasten rakennussarjojen englanninkielinen analogi ).
Differentiaalianalysaattori on analoginen tietokone. Matemaattiset funktiot laskettiin käyttämällä pyöriviä metallitankoja, joiden jokaisen pyörimisnopeus heijasti jonkin verran kvantitatiivista arvoa. Moottori käytti itsenäistä sauvaa - muuttujaa (yleensä se edusti aikaa), joka vuorostaan pyöritti muita tankoja (erilaisia differentiaalimuuttujia) mekaanisten liitäntöjen kautta ja funktio laskettiin tulon pyörimisnopeuden perusteella. Laskelmien tulokset piirrettiin paperille käyrien muodossa. Tärkeimmät komponentit olivat integraattorit - levyinä pyörivät pyörät. Integraattorit pystyivät laskemaan käyrän integraalin ilman tylsiä manuaalisia laskelmia.
Differentiaalianalysaattori. Integroitu moduuli - korotetulla kannella, ikkunan sivulla on taulukot laskelmien tuloksilla ja keskellä - joukko laskentasauvoja
Mikään analysaattorin osista ei sisältänyt erillisiä kytkentäreleitä tai digitaalisia kytkimiä. Joten miksi puhumme tästä laitteesta? Vastaus on neljäs perheen auto.
1930-luvun alussa Bush alkoi seurustella Rockefeller-säätiön kanssa saadakseen rahoitusta analysaattorin jatkokehitykseen. Warren Weaver, säätiön luonnontieteiden johtaja, ei ollut aluksi vakuuttunut. Insinöörityö ei ollut hänen osaamisalueensa. Mutta Busch mainitsi uuden koneensa rajattomat mahdollisuudet tieteellisiin sovelluksiin – erityisesti matemaattisessa biologiassa, Weaverin lemmikkiprojektissa. Bush lupasi myös lukuisia parannuksia analysaattoriin, mukaan lukien "kyky vaihtaa analysaattori nopeasti ongelmasta toiseen, kuten puhelinkeskus." Vuonna 1936 hänen ponnistelunsa palkittiin 85 XNUMX dollarin apurahalla uuden laitteen luomiseen, jota myöhemmin kutsuttiin Rockefeller Differential Analyzeriksi.
Käytännön tietokoneena tämä analysaattori ei ollut suuri läpimurto. Bush, josta tuli MIT:n varapresidentti ja tekniikan dekaani, ei voinut omistaa paljon aikaa kehityksen ohjaamiseen. Itse asiassa hän vetäytyi pian ja ryhtyi Washingtonin Carnegie-instituutin puheenjohtajaksi. Bush aisti sodan lähestyvän, ja hänellä oli useita tieteellisiä ja teollisia ideoita, jotka voisivat palvella armeijan tarpeita. Toisin sanoen hän halusi olla lähempänä vallan keskustaa, jossa hän voisi tehokkaammin vaikuttaa tiettyjen asioiden ratkaisemiseen.
Samaan aikaan uuden suunnittelun sanelemat tekniset ongelmat ratkaistiin laboratorion henkilökunnan toimesta ja heidät alettiin pian ohjata sotilaallisiin ongelmiin. Rockefeller-kone valmistui vasta vuonna 1942. Armeija piti sitä hyödyllisenä ballististen pöytien tuotantolinjassa tykistöä varten. Mutta pian tämä laite varjostettiin puhtaasti digitaalinen tietokoneet – jotka eivät edusta lukuja fyysisinä suureina, vaan abstraktisti, kytkimien asentoja käyttäen. Sattui vain niin, että Rockefeller-analysaattori itse käytti melko paljon samanlaisia kytkimiä, jotka koostuivat relepiireistä.
Shannon
Vuonna 1936 Claude Shannon oli vasta 20-vuotias, mutta hän oli jo valmistunut Michiganin yliopistosta sähkötekniikan ja matematiikan kandidaatin tutkinnolla. Hänet toi MIT:iin ilmoitustaululle kiinnitetyllä lehtisellä. Vannevar Bush etsi uutta assistenttia differentiaalianalysaattorin parissa. Shannon jätti hakemuksensa epäröimättä ja työskenteli pian uusien ongelmien parissa ennen kuin uusi laite alkoi muotoutua.
Shannon ei ollut kuin Bush. Hän ei ollut liikemies, akateeminen imperiumin rakentaja eikä järjestelmänvalvoja. Koko elämänsä hän rakasti pelejä, pulmia ja viihdettä: shakkia, jongleerausta, sokkeloita, kryptogrammeja. Kuten monet aikakautensa miehet, Shannon omistautui sodan aikana vakavalle bisnekselle: hän työskenteli Bell Labsissa hallituksen sopimuksen nojalla, joka suojeli hänen heikkoa ruumiiaan asevelvollisuudesta. Hänen tutkimuksensa palonhallinnasta ja salakirjoituksesta tänä aikana johti vuorostaan informaatioteorian ytimeen (johon emme puutu). 1950-luvulla sodan ja sen jälkiseurausten laantuessa Shannon palasi opettamaan MIT:ään viettäen vapaa-aikansa kiertokulkuihin: laskin, joka toimi yksinomaan roomalaisilla numeroilla; kone, kun se käynnistettiin, siitä ilmestyi mekaaninen varsi ja sammutti koneen.
Shannonin kohtaaman Rockefeller-koneen rakenne oli loogisesti sama kuin vuoden 1931 analysaattorin, mutta se rakennettiin täysin erilaisista fyysisistä komponenteista. Busch ymmärsi, että vanhojen koneiden tangot ja mekaaniset vaihteet heikensivät niiden käytön tehokkuutta: laskelmien suorittamiseksi kone piti pystyttää, mikä vaati monia työtunteja ammattitaitoisilta mekaanikoilta.
Uusi analysaattori on menettänyt tämän epäkohdan. Sen suunnittelu ei perustunut tankoilla varustettuun pöytään, vaan poikittaislevykommutaattoriin, Bell Labsin lahjoittamaan ylimääräiseen prototyyppiin. Sen sijaan, että se olisi siirtänyt tehoa keskusakselilta, jokaista kiinteää moduulia ohjasi itsenäisesti sähkömoottori. Koneen konfiguroimiseksi uuden ongelman ratkaisemiseksi riitti yksinkertaisesti konfiguroida koordinaattimatriisin releet yhdistämään integraattorit halutussa järjestyksessä. Rei'itetty nauhalukija (lainattu toisesta tietoliikennelaitteesta, rullateletypestä) luki koneen kokoonpanon, ja relepiiri muunsi nauhalta tulevan signaalin matriisin ohjaussignaaleiksi – se oli kuin sarjan puheluita integraattoreiden välillä.
Uusi kone ei ollut vain paljon nopeampi ja helpompi asentaa, se oli myös nopeampi ja tarkempi kuin edeltäjänsä. Hän pystyi ratkaisemaan monimutkaisempia ongelmia. Nykyään tätä tietokonetta saatetaan pitää alkeellisena, jopa ylenpalttisena, mutta tuolloin se näytti tarkkailijoilta suurelta - tai ehkä kamalalta - älykkyydestä työssään:
Periaatteessa se on matemaattinen robotti. Sähkökäyttöinen automaatio, joka ei ole suunniteltu pelkästään vapauttamaan ihmisaivoja raskaan laskennan ja analyysin taakasta, vaan hyökkäämään ja ratkaisemaan matemaattisia ongelmia, joita mieli ei voi ratkaista.
Shannon keskittyi muuntamaan tiedot paperinauhalta ohjeiksi "aivoille", ja välityspiiri vastasi tästä operaatiosta. Hän huomasi piirin rakenteen ja Boolen algebran matemaattisten rakenteiden välisen vastaavuuden, jota hän opiskeli tutkijakoulussa Michiganissa. Tämä on algebra, jonka operandit olivat TOSI ja EPÄTOSIja operaattorit - JA, TAI, EI jne. Loogisia lauseita vastaava algebra.
Vietettyään kesän 1937 työskennellessään Bell Labsissa Manhattanilla (ihanteellinen paikka pohtia relepiirejä), Shannon kirjoitti diplomityönsä nimeltä "A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits". Alan Turingin edellisvuoden työn ohella Shannonin opinnäytetyö muodosti laskentatieteen perustan.
Shannon rakensi 1940- ja 1950-luvuilla useita laskenta-/loogisia koneita: THROBAC-roomalaisen laskimen, shakin loppupelikoneen ja Theseuksen, labyrintin, jonka läpi sähkömekaaninen hiiri liikkui (kuvassa)
Shannon havaitsi, että lauselogiikkayhtälöjärjestelmä voidaan muuntaa suoraan mekaanisesti relekytkimien fyysiseksi piiriksi. Hän päätteli: "Käytännössä mikä tahansa operaatio, joka voidaan kuvata äärellisellä määrällä vaiheita sanoilla JOS, JA, TAI jne., voidaan suorittaa automaattisesti käyttämällä relettä." Esimerkiksi kaksi sarjaan kytkettyä ohjattua kytkinrelettä muodostavat loogisen И: Virta kulkee pääjohtimen läpi vain, kun molemmat sähkömagneetit on aktivoitu sulkemaan kytkimet. Samaan aikaan kaksi relettä kytkettynä rinnakkain TAI: Virta kulkee pääpiirin läpi, ja sen aktivoi yksi sähkömagneeteista. Tällaisen logiikkapiirin lähtö voi puolestaan ohjata muiden releiden sähkömagneetteja tuottaakseen monimutkaisempia logiikkatoimintoja, kuten (A И B) tai (C И G).
Shannon päätti väitöskirjansa liitteeseen, joka sisälsi useita esimerkkejä hänen menetelmällään luoduista piireistä. Koska Boolen algebran operaatiot ovat hyvin samankaltaisia kuin aritmeettiset binäärioperaatiot (eli binäärilukuja käyttämällä), hän osoitti, kuinka rele voidaan koota "sähköiseksi summaimeksi binäärimuodossa" - me kutsumme sitä binäärisummaimeksi. Muutamaa kuukautta myöhemmin yksi Bell Labsin tutkijoista rakensi sellaisen lisälaitteen keittiön pöytäänsä.
Stibitz
George Stibitz, tutkija matematiikan osastolla Bell Labsin päämajassa Manhattanilla, toi kotiin oudot laitteet pimeänä marraskuun iltana vuonna 1937. Kuivat akkukennot, kaksi pientä valoa laitteistopaneeleille ja pari litteää U-tyypin relettä, jotka löytyivät roskakorista. Lisäämällä muutamia johtoja ja roskaa hän kokosi laitteen, joka pystyi lisäämään kaksi yksinumeroista binaarilukua (jota edustaa tulojännitteen olemassaolo tai puuttuminen) ja tulostaa kaksinumeroisen luvun hehkulamppujen avulla: yksi palaa, nolla pois päältä.
Binäärinen Stiebitz-summain
Koulutukseltaan fyysikko Stiebitziä pyydettiin arvioimaan relemagneettien fysikaalisia ominaisuuksia. Hänellä ei ollut aikaisempaa kokemusta releistä, joten hän aloitti tutkimalla niiden käyttöä Bellin puhelinpiireissä. George huomasi pian yhtäläisyyksiä joidenkin piirien ja binääriaritmeettisten operaatioiden välillä. Innostuneena hän kokosi sivuprojektinsa keittiön pöydälle.
Aluksi Stiebitzin seurustelu releiden kanssa herätti vähän kiinnostusta Bell Labsin johdossa. Mutta vuonna 1938 tutkimusryhmän johtaja kysyi Georgelta, voisiko hänen laskimiaan käyttää aritmeettisiin operaatioihin kompleksiluvuilla (esim. a+biMissä i on negatiivisen luvun neliöjuuri). Kävi ilmi, että useat Bell Labsin laskentaosastot huokaisivat jo, koska heidän piti jatkuvasti kertoa ja jakaa tällaisia lukuja. Yhden kompleksiluvun kertominen vaati neljä aritmeettista operaatiota pöytälaskimella, jako 16 operaatiota. Stibitz sanoi voivansa ratkaista ongelman ja suunnitteli konepiirin tällaisia laskelmia varten.
Lopullista suunnittelua, jonka puhelininsinööri Samuel Williams sisälsi metalliin, kutsuttiin Complex Number Computeriksi – tai lyhyesti Complex Computeriksi – ja se lanseerattiin vuonna 1940. Laskennassa käytettiin 450 relettä, välitulokset tallennettiin kymmeneen koordinaattikytkimeen. Tiedot syötettiin ja vastaanotettiin rullateletyypin avulla. Bell Labsin osastot asensivat kolme tällaista teletyyppiä, mikä osoittaa suurta laskentatehon tarvetta. Releet, matriisi, teletypes - se oli kaikin puolin Bell-järjestelmän tuote.
Complex Computerin hienoin tunti iski 11. syyskuuta 1940. Stiebitz esitti raportin tietokoneesta American Mathematical Societyn kokouksessa Dartmouth Collegessa. Hän suostui siihen, että sinne asennettaisiin telelaite, joka olisi lennätinyhteydellä 400 kilometrin päässä Manhattanilla sijaitsevaan Complex Computeriin. Kiinnostuneet saattoivat mennä teletypelle, syöttää näppäimistöllä ongelman ehdot ja nähdä kuinka alle minuutissa teletype taianomaisesti tulostaa tuloksen. Uutta tuotetta testaajien joukossa olivat John Mauchly ja John von Neumann, joilla kaikilla olisi tärkeä rooli tarinamme jatkamisessa.
Kokouksen osallistujat näkivät lyhyen kurkistuksen tulevaisuuden maailmaan. Myöhemmin tietokoneista tuli niin kalliita, että järjestelmänvalvojilla ei ollut enää varaa antaa heidän istua toimettomana, kun käyttäjä raapi leukaansa hallintakonsolin edessä miettien, mitä seuraavaksi kirjoittaisi. Seuraavien 20 vuoden aikana tiedemiehet ajattelevat, kuinka rakentaa yleiskäyttöisiä tietokoneita, jotka odottavat aina sinun syöttämistä niihin, vaikka työskenteletkin jonkin muun parissa. Ja sitten kuluu vielä 20 vuotta, kunnes tästä interaktiivisesta tietojenkäsittelystä tulee arkipäivää.
Stiebitz Dartmouthin interaktiivisen terminaalin takana 1960-luvulla. Dartmouth College oli interaktiivisen tietojenkäsittelyn edelläkävijä. Stiebitzistä tuli yliopistoprofessori vuonna 1964
On yllättävää, että ratkaisemistaan ongelmista huolimatta Complex Computer ei nykystandardien mukaan ole tietokone ollenkaan. Se voisi suorittaa aritmeettisia operaatioita kompleksiluvuille ja todennäköisesti ratkaista muita vastaavia ongelmia, mutta ei yleisiä tehtäviä. Se ei ollut ohjelmoitavissa. Hän ei voinut suorittaa toimintoja satunnaisessa järjestyksessä tai toistuvasti. Se oli laskin, joka pystyi tekemään tietyt laskelmat paljon paremmin kuin edeltäjänsä.
Toisen maailmansodan puhjettua Bell loi Stiebitzin johdolla joukon tietokoneita nimeltä Model II, Model III ja Model IV (Complex Computer, vastaavasti, nimettiin Model I). Suurin osa niistä rakennettiin maanpuolustuksen tutkimuskomitean pyynnöstä, ja sitä johti ei kukaan muu kuin Vannevar Bush. Stibitz paransi koneiden suunnittelua toimintojen monipuolisuuden ja ohjelmoitavuuden suhteen.
Esimerkiksi Ballistic Calculator (myöhemmin Model III) kehitettiin ilma-alusten palonhallintajärjestelmien tarpeisiin. Se otettiin käyttöön vuonna 1944 Fort Blississä, Texasissa. Laite sisälsi 1400 25 relettä ja pystyi suorittamaan ohjelman matemaattisia operaatioita, jotka määrättiin käskysarjalla silmukalla paperinauhalla. Nauha syöttötiedoilla toimitettiin erikseen ja taulukkotiedot toimitettiin erikseen. Tämä mahdollisti esimerkiksi trigonometristen funktioiden arvojen löytämisen nopeasti ilman todellisia laskelmia. Bell-insinöörit kehittivät erityisiä hakupiirejä (metsästyspiirejä), jotka skannasivat nauhaa eteenpäin/taaksepäin ja etsivät halutun taulukon arvon osoitetta laskelmista riippumatta. Stibitz havaitsi, että hänen Model III -tietokoneensa, joka napsautti releitä yötä päivää, korvasi 40-XNUMX tietokonetta.
Bell Model III -reletelineet
Model V -autolla ei enää ollut aikaa nähdä asepalvelusta. Siitä on tullut entistä monipuolisempi ja tehokkaampi. Jos arvioimme sen korvaamien tietokoneiden määrää, se oli noin kymmenen kertaa suurempi kuin Model III. Useat laskentamoduulit 9 tuhannella releellä pystyivät vastaanottamaan syöttödataa useilta asemilla, joille käyttäjät syöttelivät eri tehtävien ehdot. Jokaisella tällaisella asemalla oli yksi nauhalukija tietojen syöttämistä varten ja viisi ohjetta varten. Tämä mahdollisti eri aliohjelmien kutsumisen päänauhalta tehtävää laskettaessa. Pääohjausmoduuli (olennaisesti käyttöjärjestelmän analogi) jakoi käskyt laskentamoduuleille niiden saatavuuden mukaan, ja ohjelmat pystyivät suorittamaan ehdollisia haaroja. Se ei ollut enää pelkkä laskin.
Ihmeiden vuosi: 1937
Vuotta 1937 voidaan pitää käännekohtana tietojenkäsittelyn historiassa. Sinä vuonna Shannon ja Stibitz huomasivat yhtäläisyyksiä relepiirien ja matemaattisten funktioiden välillä. Nämä havainnot saivat Bell Labsin luomaan sarjan tärkeitä digitaalisia koneita. Se oli tavallaan - tai jopa korvaaminen - kun vaatimattomasta puhelinreleestä, muuttamatta fyysistä muotoaan, tuli abstraktin matematiikan ja logiikan ruumiillistuma.
Samana vuonna julkaisun tammikuun numerossa Proceedings of the London Mathematical Society julkaisi brittiläisen matemaatikon Alan Turingin artikkelin "On laskennallisia lukuja suhteessa "(laskettavissa olevista numeroista, Entscheidungs-ongelman sovelluksella). Se kuvasi yleismaailmallista laskentakonetta: kirjoittaja väitti, että se voisi suorittaa toimintoja, jotka olivat loogisesti vastaavia ihmisten tietokoneiden toimien kanssa. Edellisenä vuonna Princetonin yliopiston tutkijakoulun aloittanut Turing kiinnosti myös viestipiireistä. Ja kuten Bush, hän on huolissaan kasvavasta sodan uhasta Saksaa vastaan. Joten hän otti sivusalakirjoitusprojektin - binaarisen kertoimen, jota voitaisiin käyttää sotilaallisen viestinnän salaamiseen. Turing rakensi sen yliopiston konepajassa kootuista releistä.
Myös vuonna 1937 Howard Aiken ajatteli ehdotettua automaattista laskentakonetta. Harvardin sähkötekniikan jatko-opiskelija Aiken teki kohtuullisen osuutensa laskelmista käyttämällä vain mekaanista laskinta ja painettuja matematiikan taulukoiden kirjoja. Hän ehdotti mallia, joka poistaisi tämän rutiinin. Toisin kuin olemassa olevat laskentalaitteet, sen piti käsitellä prosesseja automaattisesti ja syklisesti käyttämällä aiempien laskelmien tuloksia syötteenä seuraavaan.
Samaan aikaan Nippon Electric Companyssa tietoliikenneinsinööri Akira Nakashima oli tutkinut relepiirien ja matematiikan välisiä yhteyksiä vuodesta 1935 lähtien. Lopulta vuonna 1938 hän todisti itsenäisesti relepiirien vastaavuuden Boolen algebraan, jonka Shannon oli löytänyt vuotta aiemmin.
Berliinissä Konrad Zuse, entinen lentokoneinsinööri, joka oli kyllästynyt työssä vaadittaviin loputtomiin laskelmiin, etsi varoja toisen tietokoneen rakentamiseen. Hän ei saanut ensimmäistä mekaanista laitettaan, V1:tä, toimimaan luotettavasti, joten hän halusi tehdä reletietokoneen, jonka hän kehitti yhdessä ystävänsä, tietoliikenneinsinööri Helmut Schreyerin kanssa.
Puhelinreleiden monipuolisuus, johtopäätökset matemaattisesta logiikasta, kirkkaiden mielien halu päästä eroon mieltä turruttavasta työstä - kaikki tämä kietoutui yhteen ja johti ajatuksen syntymiseen uudentyyppisestä loogisesta koneesta.
Unohdettu sukupolvi
Vuoden 1937 löytöjen ja kehityksen hedelmien piti kypsyä useita vuosia. Sota osoittautui tehokkaimmaksi lannoitteeksi, ja sen myötä reletietokoneita alkoi ilmestyä kaikkialla, missä tarvittava tekninen asiantuntemus oli olemassa. Matemaattisesta logiikasta tuli sähkötekniikan viiniköynnösten säleikkö. Uusia ohjelmoitavien laskentakoneiden muotoja syntyi – ensimmäinen luonnos nykyaikaisista tietokoneista.
Stiebitzin koneiden lisäksi Yhdysvalloissa saattoi vuoteen 1944 mennessä ylpeillä Aikenin ehdotuksen tuloksena Harvard Mark I/IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC). Kaksoisnimi syntyi korkeakoulujen ja teollisuuden välisten suhteiden heikkenemisen vuoksi: kaikki vaativat oikeuksia laitteeseen. Mark I/ASCC käytti releohjauspiirejä, mutta aritmeettinen pääyksikkö perustui IBM:n mekaanisten laskimien arkkitehtuuriin. Ajoneuvo luotiin US Bureau of Shipbuildingin tarpeisiin. Sen seuraaja, Mark II, aloitti toimintansa vuonna 1948 laivaston koepaikalla, ja kaikki sen toiminta perustui täysin releisiin – 13 XNUMX releeseen.
Sodan aikana Zuse rakensi useita reletietokoneita, jotka muuttuivat yhä monimutkaisemmiksi. Huipentuma oli V4, joka, kuten Bell Model V, sisälsi asetukset alirutiinien kutsumiseen ja suoritti ehdollisia haaroja. Japanin materiaalipulan vuoksi yksikään Nakashiman ja hänen maanmiestensä suunnitelmista ei toteutunut metallina ennen kuin maa toipui sodasta. 1950-luvulla vastaperustettu ulkomaankauppa- ja teollisuusministeriö rahoitti kahden relekoneen luomisen, joista toinen oli hirviö, jossa oli 20 tuhatta relettä. Luomiseen osallistunut Fujitsu on kehittänyt omia kaupallisia tuotteitaan.
Nykyään nämä koneet ovat lähes kokonaan unohdettu. Vain yksi nimi on jäljellä muistissa - ENIAC. Syy unohdukseen ei liity niiden monimutkaisuuteen, kykyihin tai nopeuteen. Tiedemiesten ja tutkijoiden löytämät releiden laskennalliset ja loogiset ominaisuudet pätevät kaikkiin laitteisiin, jotka voivat toimia kytkimenä. Ja niin tapahtui, että toinen samanlainen laite oli saatavilla - elektroninen kytkin, joka voisi toimia satoja kertoja nopeammin kuin rele.
Toisen maailmansodan merkityksen tietojenkäsittelyn historiassa pitäisi olla jo ilmeinen. Kaikkein kauheimmasta sodasta tuli sysäys elektronisten koneiden kehitykselle. Sen käynnistäminen vapautti resursseja, joita tarvitaan elektronisten kytkimien ilmeisten puutteiden korjaamiseen. Sähkömekaanisten tietokoneiden hallituskausi oli lyhytikäinen. Kuten titaanit, heidän lapsensa kukistivat heidät. Kuten releet, myös elektroninen kytkentä syntyi tietoliikenneteollisuuden tarpeista. Ja saadaksemme selville, mistä se tuli, meidän on kelattava historiamme hetkeksi radioajan kynnyksellä.
Lähde: will.com