A miénk leírta az automatikus telefonközpontok virágzását, amelyeket relés sémák vezéreltek. Ezúttal arról szeretnénk beszélni, hogyan fejlesztették ki a tudósok és mérnökök a relés sémákat az első – ma már elfeledett – generációs digitális számítógépekben.
A relé fénykorában
Ha emlékeztek, a relék működése egy egyszerű elven alapul: az elektomágnes egy fém kapcsolót működtet. A relé ötletét az 1830-as években függetlenül több természettudós és telegráfiparban dolgozó vállalkozó javasolta. Aztán a XIX. század közepén a feltalálók és mechanikusok a relét megbízható és nélkülözhetetlen alkotóelemmé alakították a telegráf hálózatokban. Éppen ezen a területen a relék élete elérte tetőpontját: miniaturizálták őket, és a mérnökök generációi számtalan konstrukciót alkottak, miközben formálisan matematikát és fizikát tanultak.
A XX. század elején nemcsak az automatikus kapcsolórendszerek, hanem gyakorlatilag minden telefonhálózati berendezés valamilyen relét tartalmazott. Az egyik legkorábbi telefonműködtetési alkalmazás a 1870-es évekből származik, a kézi kapcsolókban. Amikor a hívó egy gombot forgatott a telefonján (magneto gombot), jel érkezett a telefonközpontba, aktiválva a blenkert. A blenkert egy relé működteti, amelynek bekapcsolásakor a telefonközpontos asztalán egy fém záróelem esett le, jelezve a bejövő hívás érkezését. Ekkor a telefonos hölgy csatlakoztatta a dugót a csatlakozóhoz, a relé visszaállt, majd újra felemelhette a zárót, amelyet ebben a helyzetben az elektromágnes tartott.
1924-re, ahogy két Bell mérnök írta, egy tipikus kézi telefonközpont körülbelül 10 ezer előfizetőt szolgált ki. Berendezésében 40–65 ezer relé volt, amelyek össz mágneses ereje „elég volt 10 tonna felemeléséhez”. A nagyobb telefonközpontokban gépi kapcsolókkal ezeket a jellemzőket megduplázták. Az Egyesült Államok egész telefonrendszerében több millió relét használtak, és a számuk folyamatosan növekedett a telefonközpontok automatizálása során. Egy telefonhívást egytől több száz relé is kezelhetett — a bevont telefonközpontok számától és felszereltségétől függően.
A Western Electric vállalat, a Bell Corporation gyártási struktúrájának részeként, hatalmas választékú relét gyártott. A mérnökök annyi variációt hoztak létre, hogy még a legképzettebb kutyatenyésztők vagy galambászok is irigykedtek volna erre a sokféleségre. A relék működési sebessége és érzékenysége optimalizálásra került, a méretek folyamatosan csökkentek. 1921-ben a Western Electric közel 5 millió relét gyártott a legfontosabb típusokból. A legelterjedtebb az E típusú univerzális relé volt, egy lapos, gyakorlatilag téglalap alakú eszköz, amely néhány tucat grammtól többet nyomott. Főként stampált fém alkatrészekből készült, azaz technológiailag fejlett volt a gyártás során. A burkolat megvédte a kontaktusokat a portól és a szomszédos eszközök által indukált áramoktól: általában a relék szorosan egymás mellé voltak szerelve, állványokban, ahol több száz vagy akár ezer relé is elhelyezkedett. Összesen 3000 E típusú változatot fejlesztettek ki, amelyek mindegyike a tekercsek és a kontaktusok elhelyezkedésében különbözött.
Nem sokkal később ezeket a reléket a legbonyolultabb kapcsolókban kezdték használni.
Koordináta kapcsoló
1910-ben Gotthilf Betulander, a Royal Telegrafverket mérnöke — egy állami vállalat, amely a svéd telefonpiac nagy részét irányította (évtizedekig majdnem az egész piacot) — olyan ötletet dolgozott ki, amely jelentősen javíthatná a Telegrafverket működésének hatékonyságát automatikus kapcsolórendszerek kiépítésével, amelyek teljes mértékben reléken alapulnak. Pontosabban, relémátrixokon: acélrúd rácsokon, amelyek telefonvonalakhoz csatlakoznak, relékkel a rudak kereszteződéseinél. Egy ilyen kapcsolónak gyorsabban, megbízhatóbban és egyszerűbben kellene működnie, mint a csúszó vagy forgó érintkezőkön alapuló rendszerek.
Továbbá, Betulander kitalálta, hogy a rendszer azon részeit, amelyek a választásért és a kapcsolódásért felelősök, független relékörökre lehet osztani. A rendszer fennmaradó részének csupán a beszédcsatorna létrehozására kellene szolgálnia, majd felszabadulnia egy másik hívás kezelése érdekében. Vagyis Betulander eljutott ahhoz az ötlethez, amit később "közös vezérlésnek" (common control) neveztek.
A bejövő hívás azonosítóját tároló sémát "rekordernek" (másik kifejezés — regiszter) nevezte. A sémát, amely a rácsban megtalálja és "megjelöli" a rendelkezésre álló csatlakozást, pedig "markernak" hívta. A szerző szabadalmaztatta rendszerét. Néhány ilyen állomás alakult ki Stockholm és London városában. 1918-ban Betulander értesült egy amerikai újításról: a koordinátás kapcsolóról, amelyet öt évvel korábban a Bell mérnöke, John Reynolds hozott létre. Ez a kapcsoló nagyon hasonlított Betulander fejlesztésére, de n + m relét használt a n + m mátrixcsomópontok kezelésére, ami sokkal kényelmesebb volt a telefonközpontok további bővítése szempontjából. A kapcsolat létrehozásakor a tartó sín összenyomta a "búgó" hangszálakat, míg a választó sín a mátrixon mozogva csatlakozott egy másik híváshoz. A következő évben Betulander beépítette ezt az ötletet a kapcsoló tervezésembe.
De a legtöbb mérnök Betulander alkotását furcsának és túl bonyolultnak tartotta. Amikor elérkezett az idő, hogy a legnagyobb svéd városok hálózatainak automatizálásához válasszanak egy kapcsolási rendszert, a Telegrafverket az Ericsson cég által kifejlesztett konstrukciót részesítette előnyben. Betulander kapcsolói csupán kis telefonközpontokban használták vidéken: a relék megbízhatóbbak voltak, mint az Ericsson kapcsolók motoros automatizálása, és nem igényeltek karbantartó technikusokat minden állomáson.
Azonban az amerikai telefonmérnökök más véleményen voltak. 1930-ban a Bell Labs szakemberei Svédországba látogattak, és "nagyon lenyűgözte őket a koordinátás kapcsolási modul paraméterei". Visszatérve az amerikaiak azonnal elkezdtek dolgozni azon, ami később "koordinátás rendszer № 1" néven vált ismertté, amely leváltotta a panelek kapcsolóit a nagy városokban. 1938-ra két ilyen rendszert telepítettek New Yorkban. Hamarosan ezek váltak a városi telefonközpontok szabványos berendezéseivé, amíg több mint 30 évvel később át nem adták a helyüket az elektronikus kapcsolóknak.
A koordinátás kapcsoló legérdekesebb komponense a Bell által kifejlesztett új, bonyolultabb jeladó volt. Ezt a hívó és a hívott között szabad út keresésére szánták, több összekapcsolt koordinátamodulon keresztül, amely lehetővé tette a telefonos csatlakozást. A jeladónak tesztelnie kellett minden kapcsolatot a 'szabad'/'foglalva' állapot szempontjából is. Ehhez feltételes logikát kellett alkalmazni. Ahogy Robert Chapuis történész írta:
A választás feltételes, mivel a szabad kapcsolat csak akkor marad fenn, ha hozzáférést biztosít a koordinátapályához, amelynek van egy szabad kijárata a következő szintre. Ha több kapcsolatcsoport felel meg a szükséges feltételeknek, akkor a 'prioritási logika' (preferential logic) választ egyet a [létező] legkevesebb kapcsolatok közül...
A koordinátás kapcsoló kitűnő példa a technológiai ötletek kölcsönös gazdagodására. Betulander létrehozta a teljesen relés kapcsolóját, majd javította a Reynolds kapcsolási mátrixával, és bizonyította az elkészült konstrukció működését. Az AT&T mérnökei később átformálták ezt a hibrid kapcsolót, továbbfejlesztették, és létrehozták az 1. számú koordinátrendszert. Ez a rendszer később két korai számítógép komponensévé vált, az egyik mostanra mérföldkővé vált a számítástechnika történetében.
Matematikai számítások
Ahhoz, hogy megértsük, hogyan és miért segítettek a relék és elektronikus megfelelőik forradalmasítani a számítástechnikát, szükségünk van egy rövid kitérőre a matematikai számítások világába. Ezután világos lesz, miért merült fel a rejtett igény a számítási folyamatok optimalizálására.
A 20. század elejére a modern tudomány és mérnöki tudomány egész rendszere ezer ember munkáján alapult, akik matematikai számításokat végeztek. Őket úgy nevezték, számítógépek (computers) [Hogy elkerüljük a félreértéseket, a továbbiakban a számítók. — Megjegyzés a fordítónak.]. Még az 1820-as években Charles Babbage létrehozta a (bár a készülékének voltak eszmei előzményei). Fő feladata a matematikai táblázatok automatikus létrehozása volt, például navigációs célokra (trigonometrikus függvények polinom közelítéseinek kiszámítása 0 foknál, 0,01 foknál, 0,02 foknál stb.). A matematikai számításokra az asztronómiában is nagy szükség volt: nyers észlelések feldolgozására volt szükség az égi szférában rögzített területeken (időbeli és dátumbeli függőségek nélkül) vagy új objektumok (például a Halley-üstökös) pályáinak meghatározására.
Babbage óta a számítógépek iránti igény megsokszorozódott. Az energiaipari vállalatoknak meg kellett érteniük a bonyolult dinamikai tulajdonságokkal rendelkező távvezeték-rendszerek viselkedését. A Bessemer acélból készült ágyúk, amelyek képesek voltak lövedékeket horizonton túli távolságokra kilőni (ezért a cél közvetlen megfigyelése révén már nem kellett célozni), egyre pontosabb ballisztikai táblázatokat igényeltek. Az új statisztikai eszközök, amelyek nagy mennyiségű matematikai számítást igényeltek (például a legkisebb négyzetek módszere), egyre szélesebb körben terjedtek el a tudományban és a növekvő állami apparátusban. Az egyetemeken, kormányzati intézményekben és ipari óriásoknál számítástechnikai osztályok alakultak, amelyekbe általában nőket alkalmaztak.
A mechanikus kalkulátorok csak megkönnyítették a számítási feladatokat, de nem oldották meg őket. A kalkulátorok felgyorsították az aritmetikai műveleteket, de bármely bonyolult tudományos vagy mérnöki feladat száz vagy ezer műveletet igényelt, amelyet a számító (ember) kézzel hajtott végre, alaposan feljegyezve az összes közbenső eredményt.
Az új matematikai számítások problémájára vonatkozó megközelítések megjelenését több tényező is elősegítette. A fiatal tudósok és mérnökök, akik éjjel fárasztóan számolták ki feladataikat, pihenést kívántak adni kezeiknek és szemeiknek. A projektvezetők kénytelenek voltak egyre több pénzt költeni a számítók fizetésére, különösen az Első Világháború után. Végül sok kiemelkedő tudományos és mérnöki feladat nehezen volt kézzel elvégezhető. Mindezek a tényezők a számológépek sorozatának létrejöttéhez vezettek, amelyek Vannevar Bush irányítása alatt készültek, aki az MIT (Massachusettsi Műszaki Egyetem) villamosmérnöke volt.
Differenciál analizátor
Eddig a történet gyakran anonimizált volt, de most többet fogunk beszélni konkrét emberekről. A panelkapcsoló, az E típusú relé és a koordinátamarker áramkörének alkotói elkerülték a hírnevet; róluk még életrajzi anekdoták sem maradtak fenn. Az egyetlen nyilvános bizonyíték életükről az általuk készített gépek fosszilis maradványai.
Most mélyebb betekintést nyerhetünk az emberekbe és múltjukba. De már nem találkozunk azokkal, akik fáradhatatlanul dolgoztak a padlásukon és otthoni műhelyeikben — Morse-szal és Weill-lel, Bell-lel és Watsonnal. Az Első Világháború végére a hősies feltalálók kora majdnem véget ért. Thomas Edison átmeneti figurának tekinthető: karrierje elején alkalmazott feltaláló volt, míg a végén „a találmányok gyárának” tulajdonosa. Ebben az időben a legnagyobb új technológiák kidolgozása már szervezetek — egyetemek, vállalati kutatóegységek, kormányzati laboratóriumok — birtokába került. Azok az emberek, akikről ebben a részben beszélni fogunk, éppen ilyen szervezetekhez tartoztak.
Például Vannevar Bush. 1919-be érkezett az MIT-re, amikor 29 éves volt. Kissé több mint 20 év elteltével a második világháborúba való amerikai részvételt befolyásoló emberek közé került, és segítette a kormányzati finanszírozás növelését, ami örökre megváltoztatta a kormány, az akadémiai világ és a tudomány és technológia fejlődése közötti kapcsolatokat. De a cikk keretein belül minket azok a gépek érdekelnek, amelyeket Bush laboratóriuma fejlesztett ki az 1920-as évek közepétől és amelyek célja a matematikai számítások problémáinak megoldása volt.
Az MIT, amely nemrég költözött a központi Bostontól a Charles folyó partjára Cambridge-be, szorosan kapcsolódott az ipari igényekhez. Maga Bush a professzori munkája mellett pénzügyi érdekeltségekkel rendelkezett több elektronikai vállalatban. Így nem meglepő, hogy a probléma, amely Bush-t és diákjait új számítógépes eszköz kifejlesztésére késztette, az energetikai iparból fakadt: szükség volt a nagyfeszültségű vezetékek viselkedésének modellezésére csúcs terhelési körülmények között. Nyilvánvaló, hogy ez csak az egyik a sok lehetséges alkalmazás közül, ahol számítógépes gépekre volt szükség: fárasztó matematikai számításokat végeztek szertelenül.
Bush és kollégái először két gépet építettek, amelyeket termelési integráfoknak (product integraphs) neveztek el. De a legnevezetesebb és legsikeresebb MIT gép egy másik lett — differenciálanalizátor, amelyet 1931-ben fejeztek be. Ez a gép a villamosenergia-átviteli problémákat oldotta meg, kiszámította az elektronok pályáit, a kozmikus sugárzás pályáit a Föld mágneses mezejében és sok más dolgot. A világ minden tájáról érkező kutatók, akiknek számítógépes kapacitásokra volt szükségük, a 1930-as években tucatnyi másolatot és változatot készítettek a differenciáleredményezőből. Egyesek — még Meccano-ból is (az amerikai gyermekjátékok Erector Set megfelelője). ).
A differenciál elemző egy analóg számítógép. A matematikai függvényeket forgó fémrudak segítségével számolták ki, melyek közül minden egyes forgási sebessége valamilyen mennyiségi értéket tükrözött. A motor egy független rudat – változót (általában az időt) – mozgásba hozott, amely viszont mechanikus kapcsolók révén más rudakat forgatott (különböző differenciális változók), és a bemeneti forgási sebesség alapján számolták ki a függvényt. A számítások eredményei papíron görbék formájában jelentek meg. A legfontosabb összetevők az integrátorok voltak – forgó kerekek, amelyek korongokkal forogtak. Az integrátorok képesek voltak a görbe integrálját kiszámítani fárasztó kézi számítások nélkül.
Differenciál elemző. Az integráló modul – felnyitott tetővel, az ablak felőli oldalon a számítási eredmények asztalai találhatóak, a középen pedig számító rudak komplexuma.
Az elemző egyik alkotóeleme sem tartalmazott diszkrét kapcsoló reléket vagy bármilyen digitális kapcsolót. Miért beszélünk erről az eszközről? A választ adja meg a negyedik gépcsalád.
Az 1930-as évek elején Bush elkezdte udvarolni a Rockefeller Alapítványt, hogy finanszírozást kapjon az elemző további fejlesztésére. Warren Weaver, az alapítvány természettudományi osztályának vezetője, először nem tudta meggyőzni. A mérnöki tudomány nem tartozott a hatáskörébe. Azonban Bush népszerűsítette új gépe korlátlan potenciálját tudományos alkalmazások tekintetében – különösen a matematikai biológia szakterületén, amely Weaver kedvenc projektje volt. Bush emellett számos fejlesztést ígért az elemző számára, többek között „a lehetőséget, hogy az elemzőt gyorsan átkapcsolhassuk egyik problémáról a másikra, mint egy telefonközpont”. 1936-ban erőfeszítéseit azzal jutalmazták, hogy 85 ezer dolláros támogatást kapott egy új eszköz létrehozására, amelyet később Rockefeller differenciál elemzőnéven neveztek el.
Mint számítási eszközként ez az elemző nem volt kiemelkedő áttörés. Bush, aki az MIT alelnöke és a mérnöki kar dékánja lett, nem tudott sok időt szentelni a fejlesztés irányítására. Valójában hamarosan visszavonult, és a Washingtoni Carnegie Intézet elnöki feladatainak szentelte magát. Bush érezte a háború közeledtét, és volt néhány tudományos és ipari ötlete, amelyek hasznosak lehettek a fegyveres erők számára. Tehát közelebb akart kerülni a hatalom középpontjához, ahol hatékonyabban befolyásolhatta a különböző kérdések megoldását.
Ugyanakkor az új konstrukciót diktáló technikai problémák megoldásán a labor munkatársai dolgoztak, és hamarosan katonai feladatokkal kezdték őket elvonni. A Rockefeller-féle gép csak 1942-ben készült el. A katonák hasznosnak ítélték a tüzérség ballisztikai táblázatainak sorozatgyártásához. De hamarosan ezt az eszközt teljesen digitális számítógépek váltották fel — amelyek a számokat nem fizikai mennyiségekként, hanem absztrakcióként, kapcsolók helyzeteivel ábrázolták. Úgy történtek a dolgok, hogy a Rockefeller-elemzőben meglehetősen sok ilyen kapcsoló volt, amelyek relés áramkörökből álltak.
Shannon
1936-ban Claude Shannon mindössze 20 éves volt, de már megszerezte a Michigan Egyetem végzettségét két szakon: villamosmérnöki és matematikai területen. Az MIT-ba egy hirdetési ív vezetett, amely a hirdetőtáblára volt tűzve. Vannevar Bush új asszistenset keresett a differenciális elemzőhöz. Shannon habozás nélkül jelentkezett, és hamarosan új problémákon kezdett dolgozni, és csak ezt követően kezdett az új eszköz formát ölteni.
Shannon egyáltalán nem hasonlított Bushra. Nem volt sem üzletember, sem akadémiai birodalom építője, sem adminisztrátor. Élete során mindig is az játékok, fejtörők és szórakozások szerelmese volt: sakk, zsonglőrködés, labirintusok, kriptogramok. Ahogyan sok férfi a korában, a háború idején Shannon komoly célnak szentelte magát: a Bell Labs-nál állami szerződéses pozíciót töltött be, ami megvédte törékeny testét a sorkatonai behívástól. A háború alatt végzett kutatásai a tüzelésirányítás és kriptográfia terén alapvető munkához vezettek az információelméletben (erről nem fogunk beszélni). Az 1950-es években, amikor a háború és következményei elcsendenedtek, Shannon visszatért az MIT-hez, és szabadidejét szórakozásokkal töltötte: egy kalkulátor, amely kizárólag római számokkal működik; egy gép, amelynek működésbe lépésekor egy mechanikus kar jelent meg, hogy kikapcsolja a gépet.
A Rockefeller-gép struktúrája, amellyel Shannon találkozott, logikailag ugyanaz maradt, mint az 1931-es analizátoré, de teljesen más fizikai alkatrészekből épült. Bush rájött, hogy a régi gépekben található rudak és mechanikus áttételek csökkentették a hatékonyságot: a számítások elvégzéséhez be kellett állítani a gépet, ami rengeteg munkaórát igényelt képzett szerelőktől.
Az új analizátor megszabadult ettől a hátránytól. Az alapjának nem asztal volt rudakkal, hanem koordinátakapcsoló – egy felesleges prototípus, amelyet a Bell Labs adományozott. A központi tengelyről való energiaterhelés helyett minden integrált modult függetlenül működtetett egy elektromotor. A gép egy új feladat megoldására való beállításához elegendő volt csak a relét beállítani a koordinátamatrixban a szükséges integrátorok sorrendjének összekapcsolásához. A perforált szalag olvasó (egy másik telekommunikációs eszközből, a tekercses távírótól átvett) beolvasta a gép konfigurációját, míg a relés séma a szalagról érkező jelet vezérlőjelekké alakította a mátrix számára – ez hasonló volt egy sor telefonhívás létesítéséhez az integrátorok között.
Az új gép nemcsak sokkal gyorsabb és könnyebben beállítható volt, hanem gyorsabban és pontosabban is működött, mint elődje. Képes volt bonyolultabb feladatok megoldására. Ma ezt a számítógépet primitívnek, sőt extravagánsnak tekinthetnénk, de akkoriban a megfigyelők számára valami nagynak — vagy talán borzasztónak — tűnt, egy működő elme:
Lényegében ez egy matematikai robot. Egy elektromossággal működtetett automata, amelyet nem csupán azért hoztak létre, hogy levenné az emberi agyról a nehéz számítások és elemzések terhét, hanem azért is, hogy nekilásson olyan matematikai feladatoknak, amelyek meghaladják az emberi megoldás lehetőségét, és megoldja azokat.
Shannon azon dolgozott, hogy az adatok papírszalagról parancsokká alakítsa a "agy" számára, ebben a munkában pedig egy reléábra volt a felelős. Figyelmét felkeltette a séma struktúrája és a matematikai struktúrák közötti megfelelés, amelyeket a Michigan állambeli középiskolai éveiben tanulmányozott. Ez az algebra azokkal a operandusokkal dolgozott, mint IGAZ és HAMIS, míg az operátorai közé tartozott ÉS, VAGY, NEM stb. Az algebra, amely megfelelt a logikai állításoknak.
1937 nyarát a Bell Labs-nél a Manhattan-en töltötte (ez volt a tökéletes hely a reléábrák felett való elmélkedéshez), Shannon megírta mesterdolgozatát, amelynek címe: "A relé- és kapcsolási áramkörök szimbolikus elemzése" (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Alan Turing munkájával együtt, amelyet egy évvel korábban készítettek, Shannon disszertációja megalapozta a számítógépek tudományát.
1940-1950 között Shannon több számítógépes/logikai gépet épített: egy római számítással dolgozó THROBAC kalkulátort, egy sakkozási végjátékokat megoldó gépet, valamint a Theseust – egy labirintust, amelyen egy elektromechanikus egér (a képen) haladt.
Shannon felfedezte, hogy a propositions logikájának egyenletei közvetlenül mechanikusan átalakíthatók relés kapcsolók fizikai diagramjára. Megállapította: „Valójában bármilyen művelet, amely véges számú lépéssel leírható szavakkal, HA, ÉS, VAGY stb., automatikusan végrehajtható relék segítségével.” Például két vezérlésű kapcsoló relé, amelyeket sorosan kapcsoltak, logikai. ésA fővezeték áram csak akkor áramlik, amikor mindkét elektromágnes aktiválva van a kapcsolók zárásához. Ugyanakkor a párhuzamosan összekapcsolt két relé létrehoz egy VAGYáramot, amely a fő áramkörben, az egyik elektromágnes által aktiválva folyik. Ennek a logikai áramkörnek a kimenete viszont irányíthatja más relék elektromágnesét, bonyolultabb logikai műveleteket végezve, mint például (A és B) vagy (V és G).
Shannon a disszertációjához több példával végzett a módszere alapján készült áramkörökből. Mivel a Boole-algebra műveletei nagyon hasonlítanak a bináris rendszerek aritmetikai műveleteire (azaz bináris számok használatával), bemutatta, hogy hogyan lehet egy reléből "elektromos összeadót létrehozni a bináris rendszerben" — ezt hívjuk bináris összeadónak. Néhány hónappal később az egyik Bell Labs tudós ilyen összeadót készített a konyhaasztalon.
Stibitz
George Stibitz, a Bell Labs Manhattan-i központjának matematikai osztályának kutatója, egy sötét novemberi estén 1937-ben furcsa felszereléseket hozott haza. Száraz akkumulátorcellák, két kis lámpa a műszaki táblákhoz és néhány sík U típusú relé, amelyet a kukában talált. Hozzáadva néhány vezetéket és egyéb holmit, összeállított egy készüléket, amely képes volt összeadni két egyjegyű bináris számot (a bemeneti feszültség megléte vagy hiánya által képviselt) és kétjegyű számot kiadni a lámpák segítségével: eggyel bekapcsolva, nullával kikapcsolva.
Stibitz bináris összeadó
Stibitz, akinek fizikusi képzettsége volt, arra kérték, hogy értékelje a relémágnesek fizikai tulajdonságait. Korábban egyáltalán nem volt tapasztalata a relékkel, ezért a Bell telefonos áramköreinek használatának tanulmányozásával kezdte. Hamarosan George észrevette a hasonlóságot egyes áramkörök és a bináris számok aritmetikai műveletei között. Érdeklődve elkészítette a konyhaasztalon a mellékprojektjét.
Először Stibitz relés kísérletei nem keltettek nagy érdeklődést a Bell Labs vezetősége részéről. De 1938-ban a kutatócsoport vezetője megkérdezte George-t, hogy a kalkulátorai használhatóak-e bonyolult számokkal történő aritmetikai műveletekhez (például, a + bi, ahol i — a négyzetgyök negatív számok). Kiderült, hogy a Bell Labs több számítási részlege már szenvedett attól, hogy folyamatosan szorozniuk és osztaniuk kellett ilyen számokat. Az egyik komplex szám megszorozása négy aritmetikai műveletet igényelt az asztali számológépen, míg az osztás 16 műveletet. Stibitz azt mondta, hogy meg tudja oldani a problémát, és kifejlesztett egy gépsémát az ilyen számításokhoz.
A végleges konstrukciót, amelyet Samuel Williams valósított meg, Complex Number Computer – vagy röviden Complex Computer – néven nevezték el, és 1940-ben indították el. A számításokhoz 450 relét használtak, a közbenső eredményeket tíz koordináta kapcsolóban tárolták. Az adatokat gördülő telex segítségével vitték be és fogadták. A Bell Labs részlegein három ilyen telexet állítottak fel, ami a számítási kapacitások iránti nagy igényre utal. Relék, mátrix, telexek – minden szempontból a Bell rendszer terméke volt.
A Complex Computer csillaga 1940. szeptember 11-én ragyogott fel. Stibitz egy jelentést mutatott be a számítógépről az Amerikai Matematikai Társaság találkozóján a Dartmouth Főiskolán. Megállapodott, hogy ott is telepítenek egy telexet, amely telegráf összeköttetéssel kapcsolódik a Complex Computerhez Manhattanben, 400 kilométerre. Az érdeklődők megközelíthették a telexet, beírhatták a feladatot a billentyűzeten, és láthatták, hogy kevesebb mint egy perc múlva a telex varázslatos módon kinyomtatja az eredményt. Az újdonságot kipróbálók között volt John Mauchly és John von Neumann is, mindketten fontos szerepet játszanak a történetünk folytatásában.
A találkozó résztvevői egy rövid pillantást vetettek a jövő világára. Később a számítógépek annyira megdrágultak, hogy az adminisztrátorok már nem engedhették meg, hogy tétlenül álljanak, miközben a felhasználó az irányító konzol előtt a chinje alatt töpreng, hogy mit írjon be következőnek. A következő 20 évben a tudósok azon fognak töprengeni, hogyan lehetne általános célú számítógépeket létrehozni, amelyek mindig készen állnak az adatok bevitelére, még akkor is, amikor valami máson dolgoznak. Majd újabb 20 évnek kell eltelnie, mire ez az interaktív számítási mód a normává válik.
A Dartmouth interactive terminal in the 1960s. Dartmouth College was a pioneer in the field of interactive computing. Shtybits became a professor at the college in 1964.
It’s surprising that despite the problems it solved, Complex Computer was, by modern standards, not a computer at all. It could perform arithmetic operations with complex numbers and likely solve other similar tasks, but it was not general-purpose. It was not programmable. It could not perform operations in arbitrary order or repeat them. It was a calculator capable of performing specific computations much better than its predecessors.
With the onset of World War II, a series of computers named Model II, Model III, and Model IV were developed at Bell under Shtybits. The Complex Computer was named Model I. Most of them were built at the request of the National Defense Research Committee, led by none other than Vannevar Bush. Shtybits improved the design of the machines in terms of greater functional versatility and programmability.
For example, the Ballistic Calculator (later Model III) was developed for the needs of anti-aircraft fire control systems. It was put into operation in 1944 at Fort Bliss, Texas. The device contained 1,400 relays and could execute a program of mathematical operations defined by a sequence of instructions on a looped paper tape. One tape was supplied for input data, and another for tabulated data. This allowed for quick retrieval of values, for example, trigonometric functions without actual calculations. Bell engineers developed special hunting circuits that scanned the tape forward and backward to find the address of the required tabular value independently of calculations. Shtybits established that his Model III computer, clicking relays day and night, replaced 25 to 40 calculators.
Bell Model III relay racks
A Model V gép már nem szolgált a hadseregben. Még sokoldalúbbá és erősebbé vált. Ha a helyettesíthető számítógépek számát nézzük, akkor körülbelül tízszer felülmúlta a Model III-at. Több számítási modul 9000 relével képes volt adatokat fogadni több állomásról, ahol a felhasználók különböző feladatok feltételeit adták meg. Minden ilyen állomás rendelkezett egy szalagos olvasóval az adatok bevitelére és öt az utasításokhoz. Ez lehetővé tette, hogy a feladat számítása során a fő szalagról különböző alprogramokat hívjanak meg. A fő vezérlő modul (tulajdonképpen a működési rendszer analógja) az utasításokat a számítási modulokhoz osztotta ki a rendelkezésre állásuk függvényében, a programok pedig feltételes ugrásokat hajthattak végre. Ez már nem csupán egy számológép volt.
Csodák éve: 1937
A 1937-es évet a számítógépek történetének fordulópontjaként lehet számon tartani. Ebben az évben Shannon és Shannick észrevette a hasonlóságot a relés áramkörök és a matematikai funkciók között. Ezek a megállapítások a Bell Labs-ot egy fontos digitális gépek sorozatának létrehozásához vezették. Ez volt valami olyan, — vagy akár helyettesítés, — amikor a szerény telefonrelé, megváltoztatás nélkül, az absztrakt matematika és logika megtestesítőjévé vált.
Ugyanebben az évben, a januári számában Proceedings of the London Mathematical Society megjelent Alan Turing brit matematikus „A számítható számokkal kapcsolatos cikk” (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem) címmel. Ebben egy univerzális számító gépet írt le: a szerző azt állította, hogy képes lenne végrehajtani a számító emberek által végzett logikailag ekvivalens műveleteket. Turing, aki az előző évben kezdte meg doktori tanulmányait a Princeton Egyetemen, szintén érdeklődött a relés áramkörök iránt. Ráadásul, ahogyan Bush is, aggódott a Németországgal kiéleződő háborús fenyegetés miatt. Ezért egy külső kriptográfiai projektre vállalkozott — egy bináris szorzóra, amely katonai üzenetek titkosítására volt használható. Turing relékből építette fel, amelyeket az egyetem mechanikai műhelyében szereltek össze. probléma (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem).
1937-ben Howard Aiken a feltételezett automatikus számítógépen töprengett. A Harvard doktori hallgatója, Aiken, jelentős mennyiségű számítást végzett csupán egy mechanikus számológép és matematikai táblázatok segítségével. Olyan konstrukciót javasolt, amely megszabadítana ettől a rutintól. Az előző számítások eredményeit felhasználva automatikusan és ciklikusan kellett volna feldolgoznia a folyamatokat, eltérően a létező számítógépektől.
Közben a Nippon Electric Company telekommunikációs mérnöke, Akira Nakashima, már 1935 óta kutatta a relés kapcsolások és a matematika közötti kapcsolatokat. Végül 1938-ban önállóan bizonyította a relés kapcsolások és a Boole-algebra ekvivalenciáját, amelyet Shannon egy évvel korábban fedezett fel.
Berlínben Konrad Zuse, egykori légiközlekedési mérnök, aki belefáradt a munkájához szükséges végtelen számításokba, forrást keresett a második számítógép létrehozásához. Az első mechanikus eszközét, a V1-et, nem tudta megbízhatóan működtetni, ezért egy relés számítógépet akart készíteni, amelyet barátjával, Helmut Schreyer telekommunikációs mérnökkel közösen fejlesztett ki.
A telefonos relék sokoldalúsága, a matematikai logikából levont következtetések és a ragyogó elmék vágya, hogy megszabaduljanak az unalmas munkától – mindez összefonódott és új típusú logikai gép létrejöttéhez vezetett.
Elfeledett generáció
A 1937-es felfedezések és fejlesztések gyümölcseinek néhány évet kellett érniük. A háború bizonyult a legfontosabb trágyázónak, és annak megérkezésével a relés számítógépek mindenhol megjelentek, ahol megfelelő technikai szakértelem volt. A matematikai logika a villamosmérnöki kábelek rácsává vált. Új formájú programozható számítógépek jelentek meg – a modern számítógépek első vázlata.
A Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC) was another achievement the United States could boast of by 1944, resulting from Aiken's proposal. The dual name arose due to the deteriorating relationship between academia and industry, as everyone claimed rights to the device. The Mark I / ASCC utilized controlling relay circuits, but the primary arithmetic module was built on the architecture of IBM's mechanical calculators. The machine was created for the needs of the U.S. Bureau of Shipbuilding. Its successor, the Mark II, began operation in 1948 at the Navy's test site, and all its operations were entirely based on relays — on 13,000 relays.
During the war, Zuse built several relay computers that became increasingly complex. The culmination was the V4, which, like the Bell Model V, included provisions for calling subroutines and performing conditional jumps. Due to material shortages in Japan, none of Nakashima's and his compatriots' developments were implemented until the country recovered from the war. In the 1950s, the newly formed Ministry of International Trade and Industry funded the creation of two relay machines, the second of which was a monster with 20,000 relays. Fujitsu, which participated in the development, designed its own commercial products.
Today, these machines are nearly forgotten. Only one name remains — ENIAC. The reason for their obscurity is not related to their complexity, capabilities, or speed. The computational and logical properties of relays, discovered by scientists and researchers, apply to any type of device that can act as a switch. And so it happened that another similar device was available — an electronic switch that could operate hundreds of times faster than a relay.
A második világháború jelentősége a számítógépek történetében már nyilvánvaló kell, hogy legyen. A legrosszabb háború lökést adott az elektronikus gépek fejlődésének. Kezdete felszabadította azokat az erőforrásokat, amelyek szükségesek voltak az elektronikus kapcsolók nyilvánvaló hátrányainak leküzdéséhez. Az elektromechanikus számítógépek uralma rövid életűnek bizonyult. Mint titánok, ők is el lettek taszítva saját utódjaik által. Az elektronikus kapcsolás, akárcsak a relék, a távközlési ipar igényei révén alakult ki. Ahhoz, hogy kiderítsük, honnan származik, vissza kell mennünk az időben a rádiózás hajnaláig.
Forrás: habr.com
