További cikksorozatok:
- A relék története
- Az elektronikus számítógépek története
- A tranzisztor története
- Az internet története
Ahogyan láttuk , a rádiós és telefonmérnökök új, erősebb erősítők keresése közben felfedeztek egy új technológiai területet, amelyet gyorsan elektronikának neveztek el. Az elektronikus erősítőt könnyen át lehetett alakítani digitális kapcsolóvá, amely sokkal nagyobb sebességgel működött, mint elektromekanikus megfelelője — a telefonrelé. A mechanikus alkatrészek hiánya miatt az elektroncső mikrosekundumon belül vagy még gyorsabban be- és kikapcsolhatott, szemben a relék által igényelt több tizedmillisekundummal vagy annál többel.
1939 és 1945 között ezeknek az új elektronikus alkatrészeknek az alapjaira három számítógép készült el. Ezek építési dátumai nem véletlenül egybeesnek a második világháború időszakával. Ez a konfliktus — amely páratlan volt abban, ahogyan az embereket a háború kerekébe hajtotta — örökre megváltoztatta a nemzetek, valamint a tudomány és technológia közötti kapcsolatokat, továbbá nagy mennyiségű új eszközt hozott a világra.
A három első elektronikus számítógép története összefonódik a háborúval. Az első a német üzenetek dekódolásának szentelték, és titokban maradt a 1970-es évekig, amikor már nem volt érdekesebb, mint történelmi szempontból. A második, amiről a legtöbb olvasónak hallania kellett, az ENIAC volt, egy katonai számológép, amelyet túl későn fejeztek be ahhoz, hogy segíthessen a háborúban. De itt a három gép közül a legkorábbi, amelynek atyja .
Atanasov
1930-ban Atanasov, egy amerikai születésű oszmán bolgár bevándorló fia, végre elérte ifjúkori álmát, és elméleti fizikussá vált. De, mint ahogy a legtöbb hasonló törekvésnél, a valóság nem olyan volt, mint amit várt. Különösen, mivel a XX. század első felének mérnöki és természettudományos hallgatóit sújtották a folyamatos számítások unalmas terhei. A wisconsini egyetemen a hélium polarizációjáról szóló disszertációja nyolc hét unalmas számítást igényelt mechanikus asztali számológéppel. ,
John Atanasov fiatal korában
1935-re, miután már professzorként dolgozott az Iowa Állami Egyetemen, Atanasov úgy döntött, hogy valamit kezdeni kell ezzel a teherrel. Elkezdte mérlegelni a lehetőségeket egy új, erősebb számítógép építésére. A korlátozottság és a pontatlanság miatt elvetette az analóg módszereket (mint például a MIT-differenciál analizátort), és úgy döntött, hogy digitális gépet épít, amely a számokat diszkrét értékekként, nem pedig folytonos mérésekként kezeli. Fiatal korában megismerkedett a kettes számrendszerrel, és megértette, hogy az sokkal jobban illik a digitális kapcsoló be- és kikapcsolt állapotának struktúrájához, mint a megszokott tízes számok. Ezért úgy döntött, hogy kettes számú gépet készít. Végül pedig úgy határozott, hogy a lehető leggyorsabb és rugalmasabb gép érdekében elektronikainak kell lennie, és elektroncsöveket kell használnia a számításokhoz.
Atanasovnak meg kellett határoznia a feladatok terét – pontosan milyen számítások elvégzésére kell megfelelnie a számítógépének? Végül úgy döntött, hogy a lineáris egyenletrendszerek megoldásával foglalkozik, azokat egyetlen változóra egyszerűsítve (a ) segítségével – ezzel a számításokkal, amelyek a disszertációjában is domináltak. A gépe legfeljebb harminc egyenletet, harminc változót tudott kezelni mindegyikben. Egy ilyen számítógép képes lenne a tudósok és mérnökök számára fontos feladatok megoldására, és nem tűnt hihetetlenül bonyolultnak.
Műalkotás
Az 1930-as évek közepére az elektronikai technológia rendkívüli sokféleséget ért el az ezt megelőző 25 évhez képest. Két fejlesztés különösen jól illett Atanasov projektjéhez: a relé-trigger és az elektronikus számláló.
A 19. századtól kezdve a távíró és telefon mérnökei rendelkeztek egy hasznos eszközzel, amit kapcsolónak hívtak. A kapcsoló egy bistabil relé, amely állandó mágneseket használ a benne lévő állapot, nyitott vagy zárt, fenntartásához, amíg elektromos jelet nem kap az állapotváltásra. Azonban az elektroncsövek erre nem voltak képesek. Néhány extrém esetet kivéve nem volt mechanikus alkatrészük, és „nyitva” vagy „zárva” voltak, amíg az áram folyt vagy nem folyt a körben. 1918-ban két brit fizikus, William Eccles és Frank Jordan úgy összekötött két izzót, hogy létrehozták a „triggert” - egy elektronikus relét, amely folyamatosan bekapcsolva maradt az első impulzus után. Eccles és Jordan ezt a rendszert a Brit Admiralitás távközlési céljaira fejlesztették ki az I. világháború végén. De Eccles-Jordan köre, amelyet később mint trigger [angolul flip-flop] ismertek, tárolóeszközként is értelmezhető volt a bináris számokhoz - 1, ha a jel átmegy, és 0 egyébként. Így n trigger segítségével egy n bit hosszú bináris számot lehetett kifejezni.
Tíz évvel a trigger után egy második jelentős áttörés történt az elektronikában, amely szembenézett a számítástechnikai világgal: az elektronikus számlálók. Ismét, mint ahogy ez sokszor előfordult a számítástechnika korai történetében, a unalom volt a találmány anyja. Azok a fizikusok, akik az alatomos részecskék sugárzását tanulmányozták, vagy a kattogásokat kellett hallgassák, vagy órákon át fényképészeti felvételeket tanulmányozva megszámolni a felfedezések számát a részecskék különböző anyagok általi sugárzási sebességének mérésére. A mechanikus vagy elektromechanikus számlálók csábító lehetőséget kínáltak ezeknek a feladatoknak a megkönnyítésére, de túl lassan mozgatták őket: nem tudták regisztrálni a millisekundumok eltéréssel bekövetkező tömeges eseményeket.
A probléma megoldásában kulcsszerepet játszott , aki Ernest Rutherford irányítása alatt dolgozott a cambridge-i Cavendish Laboratóriumban. Wynn-Williams ügyesen bánik az elektronikával, és már használta a lámpákat (vagy szelepeket, ahogy az Egyesült Királyságban nevezték) erősítők létrehozására, amelyek lehetővé tették, hogy a részecskékkel kapcsolatos eseményeket hallani lehessen. Az 1930-as évek elején rájött, hogy a szelepek felhasználhatók egy számláló létrehozására, amelyet „bináris skálájú számlálónak” nevezett — azaz bináris számláló. Alapvetően ez egy triggerekből álló készlet volt, amelyek fel tudták továbbítani a kapcsolásokat a lánc mentén (gyakorlatban ő használta , olyan lámpatípusok, amelyek nem vákuumot, hanem gázt tartalmaztak, és amelyek a gáz teljes ionizálása után is bekapcsolt állapotban maradhattak).
A Wynn-Williams számláló gyorsan elengedhetetlenné vált minden olyan laboratóriumban, ahol részecskefizikával foglalkoztak. A fizikusok nagyon kis számlálókat építettek, amelyek gyakran három számjegyet tartalmaztak (azaz képesek voltak hétig számolni). egy lassú mechanikus számláló számára, és az olyan események rögzítésére, amelyek gyorsabban zajlanak, mint ahogyan azt a lassan mozgó mechanikus részekkel rendelkező számláló nyilvánítani tudta.
De elméletileg az ilyen számlálókat tetszőleges méretű vagy pontosságú számok bővítésére is lehetett tervezni. Ezek szigorúan véve az első digitális elektronikus számláló gépek voltak.
Az Atanasov-Berry számítógép
Atanasov ismerős volt ezzel a történettel, ami megerősítette benne az elektronikus számítógép építésének lehetőségét. De nem használta közvetlenül a bináris számlálókat vagy triggereket. Kezdetben a számlálási rendszer alapjául kissé módosított számlálókat próbált használni – hiszen mi a különbség a összeadás és az ismétlődő számolás között? De valamilyen oknál fogva nem tudta elég megbízhatóvá tenni a számláló áramköröket, ezért saját összeadási és szorzási áramköreit kellett kidolgoznia. Nem tudta használni a triggereket a bináris számok ideiglenes tárolására, mivel korlátozott költségvetése volt, és ambiciózus célja volt harminc koefficiens egyidejű tárolása. Ahogy hamarosan látni fogjuk, ennek a helyzetnek komoly következményei voltak.
1939-re Atanasov befejezte a számítógépének tervezését. Most olyan emberre volt szüksége, aki megfelelő tudással rendelkezik az építéséhez. Egy ilyen embert talált Clifford Berry, az Iowa Állami Intézet mérnöki karának friss diplomásában. Az év végére Atanasov és Berry egy kis prototípust építettek. A következő évben befejezték a harminc változón alapuló számítógép teljes verzióját. Az 1960-as években egy író, aki felfedezte a történetüket, Atanasov-Berry számítógépnek (Atanasoff-Berry Computer, ABC) nevezte, és ez a név megmaradt. Azonban nem sikerült minden hibát kijavítani. Különösen az ABC körülbelül 10 000-ből egy bináris számjegy hibát adott, ami bármely nagyobb számítás esetén végzetes lenne.
Clifford Berry és az ABC 1942-ben
Mégis, Atanasovban és az ABC-ben megtalálhatók a modern számítógépek gyökerei és forrásai. Nem ő alkotta meg (Berry ügyes segítségével) az első bináris elektronikus digitális számítógépet? Nem ezek a fő jellemzői a világ minden táján lévő milliárdnyi eszköznek, amelyek formálják és irányítják a gazdaságot, a társadalmat és a kultúrát?
De térjünk vissza. A digitális és bináris jelzők nemcsak az ABC sajátjai. Például a Bell komplex számú számítógép (Bell Complex Number Computer, CNC), amelyet körülbelül ugyanebben az időben fejlesztettek ki, digitális, bináris, elektromechanikus számítógép volt, amely képes volt számításokat végezni a komplex síkon. Az is hasonlóságot mutatott az ABC-vel abban, hogy korlátozott területen oldott meg feladatokat, és ellentétben a modern számítógépekkel, nem tudott tetszőleges utasítási sorozatot fogadni.
A „Elektronikus” marad. De bár az ABC matematikai belseje elektronikus volt, működése elektromechanikus sebességnél zajlott. Mivel Atanasov és Berry pénzügyi okok miatt nem használhattak elektroncsöveket ezer bináris számjegy tárolására, ezért elektromechanikus komponenseket alkalmaztak erre. Számos száz triódot, amelyek az alapvető matematikai számításokat végezték, forgó hengerek és zümmögő lyukasztógépek vettek körül, ahol a számítások minden lépésének köztes értékeit tárolták.
Atanasov és Berry hősies munkát végeztek az adatok perforált kártyákra történő gyors olvasásában és írásában, elektromosság segítségével égetve őket, ahelyett, hogy mechanikusan lyukakat fúrjanak beléjük. Ennek azonban megvoltak a problémái: éppen a lyukasztó berendezés miatt volt 1 hiba 10 000 számra. Továbbá, még a legnagyobb erőfeszítéseik ellenére a gép nem tudott „lyukakat fúrni” egynél gyorsabban másodpercenként, így az ABC csak egy számítást tudott végezni másodpercenként a harminc aritmetikai egység közül. A megmaradt időben az elektroncsövek tétlenül ültek, türelmetlenül „kopogtatva az ujjaikat az asztalon”, miközben az egész gépezet kínlódva és lassan pörögtt körülöttük. Atanasov és Berry egy fajtiszta paripát kötöttek a szénás szekérhez. (Az ABC 1990-es években történő újjáépítéséért felelős projektvezető szerint a gép maximális sebessége, figyelembe véve az összes időtöltést, beleértve az operátor munkáját a felvétel beállításakor, öt összeadást vagy kivonást jelentett másodpercenként. Ez természetesen gyorsabb, mint egy emberi számoló, de nem az a sebesség, amit mi elektronikus számítógépekkel társítunk.)
Az ABC diagramja. A hengerek ideiglenes bemenetet és kimenetet tároltak kondenzátorokon. A tiratronos lyukasztó áramkör és a kártyaolvasó a teljes algoritmus munkálatai során rögzítették és olvasták az eredményeket (eltávolítva az egyik változót az egyenletrendszerből).
Az ABC munkálatai 1942 közepére megakadtak, amikor Atanasov és Berry beléptek az Egyesült Államok gyorsan növekvő katonai gépezetébe, ahol nemcsak testekre, hanem agyakra is szükség volt. Atanasovot a washingtoni Tengerészeti Tüzérségi Laboratóriumban hívták meg, hogy irányítsa azt a csapatot, amely akusztikus aknákat fejlesztett. Berry feleségül vette Atanasov titkárnőjét, és egy Kaliforniában működő katonai szerződéses cégnél talált munkát, hogy elkerülje a háborúba való behívást. Atanasov egy ideig próbálkozott a találmányának szabadalmaztatásával Iowa államban, de sikertelenül. A háború után más dolgokkal kezdett foglalkozni, és többé már nem vette komolyan a számítógépeket. Magát a számítógépet 1948-ban kidobták, hogy helyet biztosítsanak egy új intézeti végzett számára az irodában.
Lehetséges, hogy Atanasov egyszerűen túl korán kezdett dolgozni. Szoros egyetemi támogatásokra támaszkodott, és csak néhány ezer dollárt tudott költeni az ABC létrehozására, így a takarékosság minden más problémát háttérbe szorított a projektjében. Ha várta volna az 1940-es évek elejét, kormányzati támogatást kaphatott volna egy teljes értékű elektronikus eszközre. Ilyen állapotban — korlátozott alkalmazással, bonyolult kezeléssel, megbízhatatlanul, nem épp gyorsan — az ABC nem lett ígéretes reklámja az elektronikus számítási lehetőségek hasznának. Az amerikai hadigépezet, minden számítási éhsége ellenére, hagyta, hogy az ABC rozsdásodjon Ames városában, Iowa államban.
A háborús számítógépek
Az első világháború létrehozta és elindította a tudományos és technológiai befektetések masszív pumpálási rendszerét, és felkészítette azt a második világháborúra. Csak néhány év alatt a szárazföldi és tengeri háborúzás gyakorlata átment a mérgező gázok, mágneses aknák, légi felderítés és bombázások stb. használatára. Egyetlen politikai és katonai vezető sem tudta figyelmen kívül hagyni az ilyen gyors átalakulásokat. Annyira gyorsak voltak, hogy a korán megkezdett kutatások eldönthették a mérleg nyelvét egyik vagy másik irányba.
Az Egyesült Államokban elegendő anyag és elme volt (sokuk a nácizmus elől menekült), és távol álltak a más országokat érintő közvetlen harcok túlélési és dominálási küzdelmétől. Ez lehetővé tette, hogy az ország ezt a tanulságot különösen tisztán tanulja meg. Ez megnyilvánult abban, hogy kiterjedt ipari és szellemi forrásokat irányoztak az első atomfegyver létrehozására. Kevésbé ismert, de nem kevésbé fontos vagy kisebb volumenű beruházás volt a radar technológia fejlesztésébe való befektetés, amelynek központja az MIT Rad Lab-jében volt.
Így a kezdődő automatikus számítási terület is megkapta a maga részét a katonai finanszírozásból, bár sokkal kisebb mértékben. Már korábban is említettük a háború által szült különféle elektromechanikai számítási projekteket. A relés alapú számítógépek potenciálja relatíve ismert volt, mivel telefonközpontok ezrei már évek óta üzemeltek. Az elektronikus komponensek még nem bizonyították be működőképességüket ilyen méretekben. A szakértők többsége úgy vélte, hogy az elektronikus számítógép elkerülhetetlenül megbízhatatlan lesz (az ABC volt a példa), vagy hogy megépítése túl sok időt venne igénybe. A hirtelen állami pénzbevonzás ellenére az elektronikus számítási katonai projektek száma kevés volt, és ezek ritkák voltak. Mindössze hármat indítottak el, és csak kettő vezetett működő gépek megjelenéséhez.
Németországban Helmut Schreyer telekommunikációs mérnök barátjának, Konrad Zuse-nek bizonyította az elektronikus gép értékét az elektromechanikus „V3”-hoz képest, amelyet Zuse a légiközlekedési ipar számára épített (később Z3 néven vált ismertté). Végül Zuse beleegyezett, hogy második projektet is együttműködjön Schreyerrel, és a Légiközlekedési Kutatóintézet 1941 végén 100 csöves prototípus finanszírozását ajánlotta fel. Azonban a két férfi először egy ennél prioritást élvező katonai munkával kezdett, majd a bombázások által okozott károk lényegesen lelassították munkájukat, így végül nem tudták megbízhatóan működtetni gépüket.
Zuse (jobbra) és Schreyer (balra) elektromechanikus számítógépen dolgozik Zuse szüleinek berlini lakásában.
Az első elektronikus számítógép, amely hasznos munkát végzett, egy titkos laboratóriumban készült Angliában, ahol a telekommunikációs mérnök egy új, radikális megközelítést javasolt a kriptoanalízishez szelepekre alapozva. Ezt a történetet legközelebb felfedjük.
Mit érdemes még olvasni:
• Alice R. Burks és Arthur W. Burks, Az első elektronikus számítógép: Az Atanasoff-történet (1988)
• David Ritchie, A számítógép úttörői (1986)
• Jane Smiley, A férfi, aki feltalálta a számítógépet (2010)
Forrás: habr.com
