Une génération oubliée des ordinateurs à relais

Dans notre l'article précédent nous avons décrit l'apogée des commutateurs téléphoniques automatiques, contrôlés par des schémas à relais. Cette fois, nous souhaitons parler de la manière dont les scientifiques et les ingénieurs ont développé des schémas à relais lors de la première génération — désormais oubliée — des ordinateurs numériques.

Le relais à son apogée

Si vous vous souvenez, le fonctionnement d'un relais repose sur un principe simple : un électroaimant actionne un interrupteur métallique. L'idée du relais a été proposée dans les années 1830 par plusieurs chercheurs et entrepreneurs du secteur télégraphique, indépendamment les uns des autres. Puis, au milieu du XIXe siècle, des inventeurs et mécaniciens ont transformé le relais en un composant fiable et indispensable des réseaux télégraphiques. C'est dans ce domaine que la vie du relais a atteint son apogée : il a été miniaturisé et plusieurs générations d'ingénieurs ont créé une multitude de conceptions, apprenant formellement les mathématiques et la physique.

Au début du XXe siècle, non seulement les systèmes de commutation automatiques, mais aussi pratiquement tout l'équipement des réseaux téléphoniques contenaient divers types de relais. Une des applications les plus anciennes en téléphonie remonte aux années 1870, dans des commutateurs manuels. Lorsque l'abonné tournait la manivelle du téléphone (manivelle de magnétophone), un signal était envoyé à la centrale téléphonique, activant un verrou. Le verrou est un relais qui, lorsqu'il est activé, fait tomber une trappe métallique sur le bureau de l'opérateur téléphonique, indiquant la réception d'un appel entrant. À ce moment-là, l'opératrice insérait une prise dans le connecteur, et le relais se réinitialisait, permettant ensuite de lever à nouveau la trappe, maintenue en position par l'électroaimant.

En 1924, comme l'ont écrit deux ingénieurs de la société Bell, une centrale téléphonique manuelle typique desservait environ 10 000 abonnés. Son équipement contenait entre 40 000 et 65 000 relais, dont la force magnétique totale était « suffisante pour soulever 10 tonnes ». Dans les grandes centrales téléphoniques avec des commutateurs automatisés, ces caractéristiques étaient multipliées par deux. Des millions de relais étaient utilisés dans l'ensemble du système téléphonique américain, et leur nombre augmentait constamment avec l'automatisation des centrales téléphoniques. Une connexion téléphonique pouvait être gérée par un nombre allant de quelques relais à plusieurs centaines, selon le nombre et l'équipement des centrales téléphoniques impliquées.

Les usines de la société Western Electric, structure de production de la corporation Bell, fabriquaient une vaste gamme de relais. Les ingénieurs ont créé tant de variantes que même les éleveurs de chiens les plus expérimentés ou les colombophiles en seraient jaloux. La vitesse de fonctionnement et la sensibilité des relais ont été optimisées, tandis que leurs dimensions ont été réduites. En 1921, Western Electric a produit près de 5 millions de relais de 100 types principaux. Le relais universel de type E, plat, presque rectangulaire, pesant quelques dizaines de grammes, était le plus répandu. Il était principalement fabriqué à partir de pièces métalliques embouties, c'est-à-dire qu'il était technologique en termes de production. Le boîtier protégeait les contacts de la poussière et des courants induits provenant d'autres appareils : les relais étaient généralement montés les uns contre les autres, dans des cadres avec des centaines et des milliers de relais. Au total, 3000 variantes du type E ont été développées, chacune se distinguant par ses configurations de bobinage et de contacts.

Bientôt, ces relais ont commencé à être utilisés dans les commutateurs les plus complexes.

Commutateur de coordonnées

En 1910, Gotthilf Betulander, ingénieur au Royal Telegrafverket – l'organisme public qui contrôlait la majeure partie du marché téléphonique suédois (pendant des décennies, presque tout) – a eu une idée. Il croyait pouvoir améliorer considérablement l'efficacité des opérations du Telegrafverket grâce à la construction de systèmes de commutation automatiques entièrement basés sur des relais. Plus précisément, sur des matrices de relais : des grilles de barres d'acier connectées aux lignes téléphoniques, avec des relais aux points d'intersection des barres. Un tel commutateur devait fonctionner plus rapidement, être plus fiable et plus facile à entretenir par rapport aux systèmes basés sur des contacts glissants ou rotatifs.

De plus, Betulander a imaginé qu'il était possible de séparer les parties du système responsables du choix et de la connexion en circuits de relais indépendants. Et la partie restante du système devait être utilisée uniquement pour établir le canal vocal, puis être libérée pour s'occuper d'un autre appel. Autrement dit, Betulander en est venu à l'idée, qui sera plus tard appelée « commande commune ».

Il a appelé le schéma qui stocke le numéro de l'appel entrant « enregistreur » (un autre terme est registre). Le schéma qui trouve dans la grille et « marque » la connexion disponible a été nommé « marqueur ». L'auteur a breveté son système. Plusieurs de ces stations sont apparues à Stockholm et à Londres. En 1918, Betulander a appris une innovation américaine : un commutateur de coordonnées, créé par l'ingénieur Bell John Reynolds cinq ans plus tôt. Ce commutateur ressemblait beaucoup au développement de Betulander, mais utilisait n + m un relais pour la maintenance n + m des nœuds de la matrICE, ce qui était beaucoup plus pratique pour l'expansion future des centrales téléphoniques. Lors de l'établissement d'une connexion, la poutre de maintien serrait les « doigts » des cordes de piano, tandis que la poutre sélectionneuse se déplaçait dans la matrICE pour établir une connexion avec un autre appel. L'année suivante, Betulander a intégré cette idée dans la construction de son commutateur.

Mais la plupart des ingénieurs considéraient la création de Betulander comme étrange et excessivement complexe. Lorsque le moment est venu de choisir un système de commutation pour l'automatisation des réseaux des plus grandes villes suédoises, Telegrafverket a préféré la conception développée par la société Ericsson. Les commutateurs de Betulander n'étaient utilisés que dans de petites centrales téléphoniques rurales : les relais étaient plus fiables que l'automatisation motorisée des commutateurs Ericsson et ne nécessitaient pas de techniciens de maintenance dans chaque station.

Cependant, les ingénieurs téléphoniques américains avaient un avis différent à ce sujet. En 1930, des spécialistes de Bell Labs se sont rendus en Suède et ont été « très impressionnés par les caractéristiques du module de commutation de coordonnées ». De retour, les Américains ont immédiatement commencé à travailler sur ce qui allait ensuite être connu sous le nom de « système de coordonnées n° 1 », remplaçant les commutateurs de panneaux dans les grandes villes. En 1938, deux de ces systèmes avaient été installés à New York. Ils sont rapidement devenus l'équipement standard pour les centrales téléphoniques urbaines, jusqu'à ce que plus de 30 ans plus tard, ils soient remplacés par des commutateurs électroniques.

Le composant le plus intéressant du commutateur coordonné n° 1 était un nouveau marqueur, plus complexe, développé chez Bell. Il était destiné à rechercher un chemin libre du l'appelant à l'appelé à travers plusieurs modules coordonnés connectés entre eux, créant ainsi une connexion téléphonique. Le marqueur devait également tester chaque connexion pour vérifier son état « libre »/« occupé ». Cela nécessitait l'application d'une logique conditionnelle. Comme l'a écrit l'historien Robert Chapuis :

Le choix est conditionnel car une connexion libre est maintenue uniquement si elle donne accès à une barre coordonnée qui a une sortie avec une connexion libre vers le niveau suivant. Si plusieurs ensembles de connexions satisfont les conditions requises, alors la « logique de priorité » (logique préférentielle) en choisit une parmi [celles existantes] les moins nombreuses...

Le commutateur coordonné est un excellent exemple d'enrichissement mutuel des idées technologiques. Betulander a créé son commutateur entièrement électromécanique, puis l'a amélioré avec la matrice de commutation de Reynolds et a prouvé la viabilité de la conception résultante. Les ingénieurs d'AT&T ont ensuite retravaillé ce commutateur hybride, l'ont amélioré et créé le système coordonné n° 1. Ce système est ensuite devenu un composant de deux des premières machines de calcul, dont l'une est aujourd'hui reconnue comme une étape marquante dans l'histoire de l'informatique.

Calculs mathématiques (Mathematical labor)

Pour comprendre comment et pourquoi les relais et leurs cousines électroniques ont contribué à révolutionner l'informatique, nous aurons besoin d'une brève digression dans le monde des calculs mathématiques. Cela montrera pourquoi il y avait une demande cachée pour optimiser les processus de calcul.

Au début du XXe siècle, tout le système de la science et de l'ingénierie modernes reposait sur le travail de milliers de personnes effectuant des calculs mathématiques. Ils étaient appelés calculateurs (computers) [Pour éviter toute confusion, le terme suivant sera utilisé dans le texte calculatrices. — Note de l'éditeur.] Dans les années 1820, Charles Babbage a créé la machine à différences (bien que son appareil ait eu des prédécesseurs conceptuels). Sa mission principale était l'automatisation de la création de tables mathématiques, par exemple pour la navigation (calcul des fonctions trigonométriques par des approximations polynomiales à 0 degrés, 0,01 degré, 0,02 degré, etc.). Il y avait également une forte demande de calculs mathématiques en astronomie : il fallait traiter les résultats bruts des observations télescopiques dans des domaines fixes de la sphère céleste (en fonction du temps et de la date des observations) ou déterminer les orbites de nouveaux objets (comme la comète de Halley).

Depuis l'époque de Babbage, le besoin en machines de calcul a augmenté de manière exponentielle. Les compagnies d'énergie avaient besoin de comprendre le comportement des systèmes de transmission d'énergie très complexes. Les canons en acier Bessemer, capables de projeter des obus à l'horizon (et donc, grâce à l'observation directe de la cible, ne nécessitant plus de réglage), exigeaient des tables balistiques de plus en plus précises. De nouveaux outils statistiques, nécessitant un grand volume de calculs mathématiques (comme la méthode des moindres carrés), étaient de plus en plus utilisés à la fois en science et dans la bureaucratie en expansion. Des départements de calcul apparaissaient dans les universités, les institutions gouvernementales et les entreprises industrielles, généralement peuplés de femmes.

Les calculatrices mécaniques ont simplement facilité les calculs, sans les résoudre. Les calculatrices ont accéléré les opérations arithmétiques, mais toute tâche scientifique ou d'ingénierie complexe nécessitait des centaines ou des milliers d'opérations, chacune devant être effectuée manuellement par le calculateur (l'humain), en enregistrant soigneusement tous les résultats intermédiaires.

L'émergence de nouvelles approches pour le problème des calculs mathématiques a été favorisée par plusieurs facteurs. De jeunes chercheurs et ingénieurs, qui passaient des nuits à résoudre leurs problèmes, souhaitaient enfin soulager leurs mains et leurs yeux. Les chefs de projets ont dû investir de plus en plus d'argent dans les salaires de nombreux calculateurs, surtout après la Première Guerre mondiale. Enfin, de nombreuses tâches scientifiques et techniques avancées étaient très difficiles à traiter manuellement. Tous ces facteurs ont conduit à la création de séries de machines de calcul, sous la direction de Vannevar Bush, un ingénieur électricien du Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Analyseur différentiel

Jusqu'à présent, l'histoire avait souvent été dépersonnalisée, mais maintenant nous allons parler davantage de personnes spécifiques. La gloire a évité les créateurs du commutateur de panneau, du relais de type E et du schéma de marqueur de coordonnées. Il n'existe même pas d'anecdotes biographiques à leur sujet. Les seules preuves accessibles de leur existence sont les vestiges fossilisés des machines qu'ils ont créées.

Nous pouvons maintenant obtenir une compréhension plus profonde des gens et de leur passé. Mais nous ne croiserons plus ceux qui travaillaient assidûment dans les greniers et les ateliers de leur maison — Morse et Vail, Bell et Watson. À la fin de la Première Guerre mondiale, l'ère des inventeurs héroïques était presque terminée. Thomas Edison peut être considéré comme une figure de transition : au début de sa carrière, il était un inventeur salarié, et à la fin, il était propriétaire d'une « fabrique d'inventions ». À ce stade, le développement des technologies nouvelles les plus remarquables était devenu le domaine des organisations — universités, départements de recherche des entreprises, laboratoires gouvernementaux. Les personnes dont nous parlerons dans cette section appartenaient justement à de telles organisations.

Par exemple, Vannevar Bush. Il est arrivé au MIT en 1919, à l'âge de 29 ans. Un peu plus de 20 ans plus tard, il faisait partie des personnes ayant influencé l'engagement des États-Unis dans la Seconde Guerre mondiale et a contribué à augmenter le financement public, ce qui a à jamais modifié les relations entre le gouvernement, le milieu académique et le développement de la science et de la technologie. Mais dans le cadre de l'article, nous nous intéressons à une série de machines qui ont été développées dans le laboratoire de Bush depuis le milieu des années 1920 et qui étaient destinées à résoudre le problème des calculs mathématiques.

Le MIT, qui a récemment déménagé de la centrale de Boston sur les rives de la rivière Charles à Cambridge, était étroitement lié aux besoins de l'industrie. Bush, en plus de son activité professorale, avait des intérêts financiers dans plusieurs entreprises du secteur de l'électronique. Il n'est donc pas surprenant que le problème qui a conduit Bush et ses étudiants à travailler sur un nouveau dispositif de calcul soit survenu dans l'industrie énergétique : il a fallu modéliser le comportement des lignes à haute tension en conditions de charge maximale. Il est évident que c'était seulement l'une des nombreuses applications possibles des machines de calcul : des calculs mathématiques pénibles étaient effectués partout.

Bush et ses collègues ont d'abord construit deux machines, qui ont été appelées des intégraphes de production (product integraphs). Mais la machine la plus connue et réussie du MIT était une autre — analyseur différentiel, achevée en 1931. Elle résolvait des problèmes de transmission d'énergie électrique, calculait les orbites des électrons, les trajectoires des rayonnements cosmiques dans le champ magnétique terrestre et bien plus encore. Des chercheurs du monde entier, ayant besoin de puissance de calcul, ont créé dans les années 1930 des dizaines de copies et de variantes de l'analyseur différentiel. Certains — même en Meccano (l'équivalent anglais des modèles réduits américains de la marque Erector Set).

Le calculateur différentiel est un ordinateur analogique. Les fonctions mathématiques étaient calculées à l'aide de tiges métalliques rotatives, dont la vitesse de rotation reflétait une valeur quantitative. Un moteur entraînait une tige indépendante — la variable (qui représentait généralement le temps), qui, à son tour, entraînait d'autres tiges (différentes variables différentielles) par des connexions mécaniques, et la fonction était calculée sur la base de la vitesse d'entrée de rotation. Les résultats des calculs étaient tracés sur papier sous forme de courbes. Les composants les plus importants étaient des intégrateurs — des roues tournant sur des disques. Les intégrateurs pouvaient calculer l'intégrale d'une courbe sans des calculs manuels fastidieux.

Calculateur différentiel. Module intégral — avec le couvercle relevé, des tables avec les résultats des calculs sont disposées du côté de la fenêtre, et au milieu se trouve un complexe de tiges de calcul.

Aucun des composants de l'analysateur ne contenait de relais de commutation discrets ou de commutateurs numériques. Alors pourquoi parlons-nous de cet appareil ? La réponse est donnée par la quatrième machine de la famille.

Au début des années 1930, Bush a commencé à courtiser la Fondation Rockefeller pour obtenir des financements pour le développement ultérieur de l'analysateur. Warren Weaver, le chef du département des sciences naturelles de la fondation, n'a d'abord pas été convaincu. L'ingénierie ne relevait pas de son secteur de compétences. Cependant, Bush a fait la promotion du potentiel illimité de sa nouvelle machine en matière d'applications scientifiques — en particulier en biologie mathématique, le projet préféré de Weaver. De plus, Bush a promis de nombreuses améliorations de l'analysateur, y compris "la possibilité de passer rapidement de la résolution d'un problème à un autre, comme un commutateur téléphonique". En 1936, ses efforts ont été récompensés par une subvention de 85 000 dollars pour la création d'un nouvel appareil, qui a été plus tard appelé l'analysateur différentiel Rockefeller.

En tant qu'ordinateur pratique, cet analyseur n'a pas été une avancée remarquable. Bush, qui est devenu vice-président du MIT et doyen de la faculté d'ingénierie, ne pouvait pas consacrer beaucoup de temps à la direction du développement. En fait, il s'est rapidement écarté, s'occupant des responsabilités de président de l'Institut Carnegie à Washington. Bush ressentait l'imminence de la guerre et avait plusieurs idées scientifiques et industrielles susceptibles de répondre aux besoins des forces armées. Autrement dit, il souhaitait se trouver plus près du centre des pouvoirs, où il pourrait influencer plus efficacement les décisions sur certains sujets.

En même temps, le personnel du laboratoire s'attaquait aux problèmes techniques dictés par la nouvelle construction, et bientôt, ils ont été détournés pour travailler sur des tâches militaires. La machine Rockefeller n'a été achevée qu'en 1942. Les militaires l'ont jugée utile pour la production en série de tables ballistiques pour l'artillerie. Mais bientôt, cet appareil a été éclipsé par des ordinateurs purement numériques qui représentaient les chiffres non pas comme des grandeurs physiques, mais de manière abstraite, à l'aide de positions d'interrupteurs. Il se trouve que l'analyseur Rockefeller contenait un bon nombre de ces interrupteurs, composés de circuits à relais.

Shannon

En 1936, Claude Shannon n'avait que 20 ans, mais il avait déjà obtenu son diplôme de l'Université du Michigan avec un double diplôme en génie électrique et en mathématiques. Il a été attiré au MIT par une brochure accrochée au tableau d'affichage. Vannevar Bush cherchait un nouvel assistant pour travailler sur l'analyseur différentiel. Shannon a postulé sans hésiter et a rapidement commencé à travailler sur de nouveaux problèmes, et c'est seulement après cela que le nouvel appareil a commencé à prendre forme.

Shannon ne ressemblait pas du tout à Bush. Il n'était ni homme d'affaires, ni bâtisseur d'un empire académique, ni administrateur. Toute sa vie, il a aimé les jeux, les énigmes et les distractions : les échecs, le jonglage, les labyrinthes, les cryptogrammes. Comme beaucoup d'hommes de son époque, pendant la guerre, Shannon s'est consacré à une tâche sérieuse : il occupait un poste sous contrat gouvernemental chez Bell Labs, ce qui a protégé son corps fragile du service militaire. Ses recherches sur la gestion du tir et la cryptographie à cette époque ont conduit, à leur tour, à l'émergence de l'œuvre fondamentale sur la théorie de l'information (nous n'aborderons pas ce sujet). Dans les années 1950, lorsque la guerre et ses conséquences s'étaient apaisées, Shannon est retourné à l'enseignement au MIT, consacrant son temps libre à des divertissements : une calculatrice fonctionnant exclusivement avec des chiffres romains ; une machine qui, une fois activée, faisait surgir un bras mécanique et désactivait la machine.

La structure de la machine Rockefeller à laquelle Shannon a été confronté est restée logiquement la même que celle de l'analyseur de 1931, mais elle était construite avec des composants physiques complètement différents. Bush a compris que les tiges et les transmissions mécaniques des anciennes machines réduisaient l'efficacité de leur utilisation : pour effectuer des calculs, il fallait régler la machine, ce qui nécessitait de nombreuses heures de travail de mécaniciens qualifiés.

Le nouvel analyseur a échappé à ce défaut. Sa conception ne reposait pas sur une table avec des tiges, mais sur un commutateur de coordonnées — un prototype supplémentaire, donné par Bell Labs. Au lieu de transmettre la puissance de l'arbre central, chaque module intégré était entraîné indépendamment par un moteur électrique. Pour configurer la machine pour résoudre une nouvelle tâche, il suffisait de configurer les relais dans la matrice de coordonnées pour connecter les intégrateurs dans l'ordre requis. Le lecteur de bande perforée (emprunté à un autre appareil de télécommunication, le téléimprimeur à bande) lisait la configuration de la machine, et le circuit de relais transformait le signal de la bande en signaux de contrôle pour la matrice — c'était comme établir une série d'appels téléphoniques entre les intégrateurs.

La nouvelle machine n'était pas seulement beaucoup plus rapide et plus simple à configurer, mais elle fonctionnait également plus rapidement et avec plus de précision que son prédécesseur. Elle pouvait résoudre des tâches plus complexes. Aujourd'hui, cet ordinateur peut sembler primitif, voire extravagant, mais à l'époque, il paraissait aux observateurs comme un esprit puissant — ou peut-être terrifiant — un raisonnement fonctionnant.

En essence, c'est un robot mathématique. Un automate actionné par électricité, conçu non seulement pour libérer l'esprit humain des lourdes charges de calculs et d'analyses, mais aussi pour s'attaquer à des problèmes mathématiques qui échappent à la résolution intellectuelle et les résoudre.

Shannon s'est concentré sur la conversion des données de bandes de papier en instructions pour le « cerveau », et cette opération était gérée par le circuit relais. Il a noté la correspondance entre la structure du circuit et les structures mathématiques de l'algèbre booléenne qu'il avait étudiée lors de sa dernière année à Michigan. Cette algèbre avait pour opérandes VRAI et FAUX, et pour opérateurs — ET, OU, NON etc. Une algèbre correspondant aux assertions logiques.

Après avoir passé l'été 1937 à travailler aux Bell Labs à Manhattan (un endroit idéal pour réfléchir aux circuits relais), Shannon a écrit une thèse de maîtrise intitulée « Analyse symbolique des circuits relais et de commutation » (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Avec le travail d'Alan Turing, réalisé un an plus tôt, la thèse de Shannon a jeté les bases de la science des machines de calcul.

Dans les années 1940-1950, Shannon a construit plusieurs machines de calcul/logiques : une calculatrice à numération romaine nommée THROBAC, une machine pour les finales d'échecs, ainsi que Theseus — un labyrinthe parcouru par une souris électromécanique (sur la photo).

Shannon a découvert que le système d'équations de la logique propositionnelle pouvait être transformé mécaniquement en un circuit physique de relais. Il a conclu : « En fait, toute opération qui peut être décrite en un nombre fini d'étapes en utilisant les mots SI, ET, OU etc., peut être exécutée automatiquement à l'aide de relais ». Par exemple, deux relais de commutation contrôlés, connectés en série, forment une logique. Et: le courant ne circulera dans le fil principal que lorsque les deux électroaimants sont activés pour fermer les interrupteurs. En même temps, deux relais connectés en parallèle forment OU: le courant circule dans le circuit principal, activé par l'un des électroaimants. Les sorties de ce circuit logique peuvent, à leur tour, contrôler les électroaimants d'autres relais pour réaliser des opérations logiques plus complexes comme (A Et B) ou (V Et G).

Shannon a terminé sa thèse avec une annexe contenant plusieurs exemples de circuits créés selon sa méthode. Étant donné que les opérations de l'algèbre booléenne ressemblent beaucoup aux opérations arithmétiques dans le système binaire (c'est-à-dire en utilisant des nombres binaires), il a montré comment assembler un « additionneur électrique en binaire » à partir de relais — nous appelons cela un additionneur binaire. Quelques mois plus tard, l'un des chercheurs de Bell Labs a fabriqué cet additionneur sur la table de la cuisine.

Stibitz

George Stibitz, un chercheur du département de mathématiques de Bell Labs, a rapporté chez lui un étrange ensemble d'équipements un soir sombre de novembre 1937. Des cellules de batterie sèches, deux petites ampoules pour les tableaux de bord et quelques relais plats de type U trouvés dans une poubelle. En ajoutant quelques fils et quelques bricoles, il a assemblé un dispositif capable d’additionner deux nombres binaires à un chiffre (représentés par la présence ou l'absence de tension d'entrée) et de produire un nombre à deux chiffres via des ampoules : un — allumé, zéro — éteint.

Additionneur binaire de Stibitz

Stibitz, physicien de formation, a été invité à évaluer les propriétés physiques des relais magnétiques. Auparavant, il n'avait aucune expérience avec les relais et a donc commencé par étudier leur utilisation dans les circuits téléphoniques de Bell. Très vite, George a remarqué des similitudes entre certains circuits et les opérations arithmétiques avec des nombres binaires. Intrigué, il a monté son petit projet sur la table de la cuisine.

Au début, les expérimentations de Stibitz avec les relais ont suscité peu d'intérêt de la part de la direction de Bell Labs. Mais en 1938, le chef de groupe de recherche a demandé à George si ses calculateurs pouvaient être utilisés pour des opérations arithmétiques avec des nombres complexes (par exemple, a + bi, où i — la racine carrée d'un nombre négatif). Il s'est avéré que plusieurs départements de calcul chez Bell Labs gémissaient déjà parce qu'ils devaient constamment multiplier et diviser de tels nombres. Multiplier un nombre complexe nécessitait quatre opérations arithmétiques sur une calculatrice de bureau, tandis que la division en nécessitait 16. Shteybets a déclaré qu'il pouvait résoudre le problème et a conçu un schéma de machine pour de tels calculs.

La construction finale, réalisée en métal par l'ingénieur téléphonique Samuel Williams, a été appelée Complex Number Computer — ou Complex Computer pour faire court — et mise en service en 1940. Pour les calculs, 450 relais étaient utilisés, et les résultats intermédiaires étaient stockés dans dix commutateurs de coordonnées. Les données étaient saisies et récupérées à l'aide d'une machine à écrire télégraphique. Trois de ces télétypes ont été installés dans les départements de Bell Labs, ce qui témoigne des grands besoins en puissance de calcul. Relais, matrice, télétypes — c'était, dans tous les sens du terme, un produit du système Bell.

Le moment de gloire du Complex Computer a eu lieu le 11 septembre 1940. Shteybets a présenté un rapport sur l'ordinateur lors d'une réunion de la Société mathématique américaine au Dartmouth College. Il a convenu qu'un télétype serait installé là-bas avec une connexion télégraphique au Complex Computer de Manhattan, à 400 kilomètres. Les personnes intéressées pouvaient s'approcher du télétype, entrer sur le clavier les conditions du problème et voir comment, en moins d'une minute, le télétype imprimait magiquement le résultat. Parmi ceux qui ont testé la nouveauté figuraient John Mauchly et John von Neumann, chacun jouant un rôle important dans la suite de notre histoire.

Les participants à la réunion ont eu un bref aperçu de l'avenir. Plus tard, les ordinateurs sont devenus si chers que les administrateurs ne pouvaient plus se permettre de les laisser inactifs pendant que l'utilisateur se grattait le menton devant le panneau de contrôle, réfléchissant à ce qu'il allait taper ensuite. Au cours des 20 années suivantes, les scientifiques réfléchiront à la manière de créer des ordinateurs à usage général qui seront toujours en attente que vous y saisissiez des données, même en travaillant simultanément sur autre chose. Et il faudra encore 20 ans avant que ce mode de calcul interactif ne devienne la norme.

Le Shibitz du terminal interactif de Dartmouth dans les années 1960. Le Dartmouth College a été un pionnier dans le domaine du calcul interactif. Shibitz est devenu professeur au collège en 1964.

Il est surprenant que, malgré les tâches qu'il accomplissait, le Complex Computer ne soit en réalité pas un ordinateur selon les normes modernes. Il pouvait effectuer des opérations arithmétiques avec des nombres complexes et, probablement, résoudre d'autres tâches similaires, mais pas celles de type général. Il n'était pas programmable. Il ne pouvait pas réaliser des opérations dans un ordre quelconque ou les répéter. C'était une calculatrice capable d'effectuer certains calculs bien mieux que ses prédécesseurs.

Avec le début de la Seconde Guerre mondiale, Bell sous la direction de Shibitz a conçu une série d'ordinateurs appelés Model II, Model III et Model IV (le Complex Computer portant le nom de Model I). La plupart d'entre eux ont été construits à la demande du National Defense Research Committee, dirigé par nul autre que Vannevar Bush. Shibitz a amélioré le schéma des machines en termes de polyvalence fonctionnelle et de programmabilité.

Par exemple, le Ballistic Calculator (plus tard Model III) a été développé pour les besoins des systèmes de contrôle de tir anti-aérien. Il a été mis en service en 1944 à Fort Bliss, au Texas. L'appareil contenait 1400 relais et pouvait exécuter un programme d'opérations mathématiques déterminé par une séquence d'instructions sur une bande de papier enroulée. Une bande de données d'entrée était fournie séparément, ainsi que des données tabulaires. Cela permettait de trouver rapidement des valeurs, par exemple, des fonctions trigonométriques sans véritables calculs. Les ingénieurs de Bell ont développé des circuits de recherche spéciaux (hunting circuits) qui scannaient la bande en avant/en arrière et cherchaient l'adresse de la valeur tabulaire requise indépendamment des calculs. Shibitz a établi que son ordinateur Model III, cliquetant jour et nuit avec des relais, remplaçait 25 à 40 calculatrices.

Les racks de relais Bell Model III

La machine Model V n'a jamais eu l'occasion de servir dans l'armée. Elle est devenue encore plus polyvalente et puissante. Si l'on évalue le nombre de calculateurs qu'elle remplaçait, elle surpassait Model III d'environ dix fois. Plusieurs modules de calcul contenant 9 000 relais pouvaient recevoir des données d plusieurs stations où les utilisateurs saisissaient les conditions de différentes tâches. Chaque station avait un lecteur de bande pour l'entrée de données et cinq pour les instructions. Cela permettait, lors du calcul d'une tâche à partir de la bande principale, d'appeler divers sous-programmes. Le module de contrôle principal (en fait, l'analogue d'un système d'exploitation) distribuait les instructions aux modules de calcul en fonction de leur disponibilité, et les programmes pouvaient effectuer des branchements conditionnels. Ce n'était plus simplement une calculatrice.

Une année extraordinaire : 1937

L'année 1937 peut être considérée comme un tournant dans l'histoire des machines de calcul. Cette année-là, Shannon et Stibitz ont remarqués la similitude entre les circuits à relais et les fonctions mathématiques. Ces conclusions ont conduit Bell Labs à créer toute une série de machines numériques importantes. C'était une sorte de excapation — ou même de substitution, — lorsque le modeste relais téléphonique, sans changer de forme physique, est devenu l'incarnation des mathématiques abstraites et de la logique.

La même année, dans le numéro de janvier de la publication Proceedings of the London Mathematical Society un article du mathématicien britannique Alan Turing intitulé « Sur les nombres calculables appliqués à la problématique de la décision» (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem) a été publié. Il y décrivait une machine de calcul universelle : l'auteur affirmait qu'elle pourrait effectuer des opérations logiquement équivalentes à celles des calculateurs humains. Turing, qui l'année précédente avait intégré l'école doctorale de l'Université de Princeton, était également intrigué par les circuits à relais. Et, tout comme Bush, préoccupé par la menace grandissante de la guerre avec l'Allemagne. Il s'est donc attelé à un projet cryptographique secondaire : un multiplicateur binaire, pouvant être utilisé pour chiffrer des messages militaires. Turing l'a construit à partir de relais assemblés dans l'atelier mécanique de l'université.

En 1937, Howard Aiken réfléchissait à une machine de calcul automatique supposée. Doctorant en ingénierie électrique à Harvard, Aiken effectuait une grande partie de ses calculs avec une simple calculatrice mécanique et des livres imprimés contenant des tables mathématiques. Il a proposé une conception qui éliminerait cette routine. Contrairement aux dispositifs de calcul existants, celle-ci devait traiter automatiquement et de manière cyclique les processus, en utilisant les résultats des calculs précédents comme données d'entrée pour les suivants.

Entre-temps, chez Nippon Electric Company, l'ingénieur en télécommunications Akira Nakashima explorait depuis 1935 les liens entre les circuits relais et les mathématiques. En fin de compte, en 1938, il a prouvé de manière autonome l'équivalence des circuits relais à l'algèbre de Boole, que Shannon avait découverte un an auparavant.

À Berlin, Konrad Zuse, ancien ingénieur aéronautique épuisé par les calculs incessants exigés par son travail, cherchait des financements pour créer une deuxième machine de calcul. Il n'avait pas réussi à faire fonctionner de manière fiable son premier dispositif mécanique, le V1, et souhaitait donc concevoir un ordinateur relais, qu'il a élaboré en collaboration avec son ami, l'ingénieur en télécommunications Helmut Schreyer.

L'universalité des relais téléphoniques, les conclusions sur la logique mathématique, le désir des esprits éclairés de se libérer d'un travail abrutissant — tout cela s'est entrelacé et a conduit à l'émergence de l'idée d'une machine logique de nouveau type.

Génération oubliée

Les fruits des découvertes et des développements de 1937 ont dû mûrir pendant plusieurs années. La guerre s'est révélée être le meilleur engrais, et avec son arrivée, les ordinateurs relais ont commencé à apparaître partout où l'expertise technique nécessaire existait. La logique mathématique est devenue la grille de la technologie électrique. De nouvelles formes de machines de calcul programmables sont apparues — le premier croquis des ordinateurs modernes.

En plus des machines de Stibitz, les États-Unis pouvaient se vanter en 1944 de l'appareil Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), résultat de la proposition d'Eiken. Le double nom est né des relations tendues entre le milieu académique et l'industrie : chacun revendiquait des droits sur l'appareil. Le Mark I / ASCC utilisait des circuits relais de contrôle, mais le module arithmétique principal était construit selon l'architecture des calculatrices mécaniques IBM. La machine a été créée pour les besoins du bureau de la construction navale des États-Unis. Sa descendante, le Mark II, a commencé à fonctionner en 1948 sur le site d'essai de la marine, et toutes ses opérations étaient exclusivement basées sur des relais — utilisant 13 000 relais.

Pendant la guerre, Zuse a construit plusieurs ordinateurs à relais, de plus en plus complexes. Le point culminant a été le V4, qui, comme le Bell Model V, incluait des installations pour appeler des sous-programmes et exécutait des sauts conditionnels. En raison du manque de matériaux au Japon, aucune des conceptions de Nakashima et de ses compatriotes n'a été réalisée en métal tant que le pays ne s'est pas rétabli après la guerre. Dans les années 1950, le ministère du Commerce et de l'Industrie nouvellement formé a financé la création de deux machines à relais, dont la seconde était un monstre avec 20 000 relais. La société Fujitsu, qui a participé à la création, a développé ses propres produits commerciaux.

Aujourd'hui, ces machines sont presque complètement oubliées. Il ne reste qu'un seul nom dans les mémoires — ENIAC. La raison de cet oubli ne se rapporte ni à leur complexité, ni à leurs capacités, ni à leur vitesse. Les propriétés de calcul et logiques des relais, découvertes par des scientifiques et des chercheurs, s'appliquent à tout type d'appareils pouvant agir comme un interrupteur. Et il se trouve qu'un autre appareil similaire était disponible — un interrupteur électronique capable de fonctionner des centaines de fois plus rapidement qu'un relais.

L'importance de la Seconde Guerre mondiale dans l'histoire des machines de calcul devrait déjà être évidente. La guerre la plus terrible a été un catalyseur pour le développement des machines électroniques. Son début a libéré les ressources nécessaires pour surmonter les défauts évidents des commutateurs électroniques. La domination des ordinateurs électromécaniques n'a pas duré longtemps. Comme des titans, ils ont été renversés par leurs propres enfants. Tout comme pour les relais, la commutation électronique a émergé en réponse aux besoins de l'industrie des télécommunications. Pour comprendre son origine, nous devons remonter notre histoire jusqu'aux débuts de l'ère de la radio.

Source : habr.com