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Come abbiamo visto in , ingegneri radiofonici e telefonici, alla ricerca di amplificatori più potenti, hanno aperto un nuovo campo tecnologico, che è stato rapidamente soprannominato elettronica. Un amplificatore elettronico poteva essere facilmente trasformato in un interruttore digitale, funzionante a velocità molto superiori rispetto al suo parente elettromeccanico: il relè telefonico. Grazie all'assenza di parti meccaniche, la valvola elettronica poteva accendersi e spegnersi in un microsecondo o addirittura più velocemente, rispetto ai decimi di millisecondo o più richiesti dai relè.
Dal 1939 al 1945, su base di questi nuovi componenti elettronici, furono creati tre computer. Le date della loro costruzione coincidono non a caso con il periodo della Seconda Guerra Mondiale. Questo conflitto, senza precedenti nella storia per il modo in cui costringeva le persone al giogo della guerra, ha cambiato per sempre le relazioni sia tra gli Stati che tra scienza e tecnologia, portando nel mondo un gran numero di nuovi dispositivi.
Le storie dei primi tre computer elettronici sono intrecciate con la guerra. Il primo era dedicato alla decifrazione dei messaggi tedeschi e rimase coperto da segreto fino agli anni '70, quando non suscitava più alcun interesse, se non storico. Il secondo, di cui la maggior parte dei lettori dovrebbe aver sentito parlare, era l'ENIAC, un calcolatore militare che fu completato troppo tardi per essere utile nella guerra. Ma qui esamineremo la più antica di queste tre macchine, il prodotto di .
Atanasoff
Nel 1930, Atanasoff, nato negli Stati Uniti da un emigrato proveniente da , raggiunse finalmente il suo sogno giovanile diventando un fisico teorico. Ma, come per la maggior parte di tali aspirazioni, la realtà si rivelò non essere quella sperata. In particolare, come molti studenti delle facoltà di ingegneria e scienze fisiche della prima metà del XX secolo, Atanasoff dovette subire le complesse difficoltà dei calcoli incessanti. La sua tesi all'Università del Wisconsin sulla polarizzazione dell'elio richiese otto settimane di tediosi calcoli tramite una calcolatrice meccanica da tavolo.
John Atanasoff da giovane
Entro il 1935, già sistemato nella posizione di professore all'Università dello Stato dell'Iowa, Atanasoff decise di fare qualcosa riguardo a questo fardello. Iniziò a considerare possibili modi per costruire una nuova macchina di calcolo, più potente. Rigettando i metodi analogici (come l'analizzatore differenziale del MIT) per ragioni di limitatezza e imprecisione, decise di costruire una macchina digitale, che operasse con numeri come valori discreti, piuttosto che come misurazioni continue. Fin da giovane, era familiare con il sistema binario e capiva che questo si adattava molto meglio alla struttura del tipo on/off di un interruttore digitale, rispetto ai tradizionali numeri decimali. Pertanto, decise di costruire una macchina binaria. E infine, decise che per essere la più veloce e flessibile, doveva essere elettronica e utilizzare valvole elettroniche per i calcoli.
Atanasoff doveva anche decidere quale sarebbe stato lo spazio delle operazioni: per quali esatti calcoli doveva essere adatta la sua macchina? Alla fine, decise che si sarebbe concentrato sulla risoluzione di sistemi di equazioni lineari, riducendole a una sola variabile (attraverso ) — gli stessi tipi di calcoli che predominavano nella sua tesi. Sarebbe stato in grado di gestire fino a trenta equazioni, con fino a trenta variabili ciascuna. Una tale macchina potrebbe risolvere problemi importanti per scienziati e ingegneri, e allo stesso tempo non sembrava incredibilmente complessa.
Opera d'arte
A metà degli anni '30, la tecnologia elettronica aveva raggiunto una diversità straordinaria rispetto alle sue origini, emerse 25 anni prima. Due sviluppi si adattavano particolarmente bene al progetto di Atanasoff: il relè a trigger e il contatore elettronico.
Fin dal XIX secolo, gli ingegneri del telegrafo e del telefono avevano a disposizione un dispositivo utile chiamato interruttore. L'interruttore è un relè bistabile che utilizza magneti permanenti per mantenere il suo stato, che sia aperto o chiuso, fino a quando non riceve un segnale elettrico per cambiare stato. Ma le valvole elettroniche non erano in grado di farlo. Non avevano un componente meccanico e potevano essere "aperte" o "chiuse" mentre l'elettricità passava o non passava nel circuito. Nel 1918, due fisici britannici, William Eccles e Frank Jordan, connessero due lampade in modo tale da ottenere un "relè-triggere" — un relè elettronico che rimane acceso dopo essere stato attivato da un impulso iniziale. Eccles e Jordan crearono il loro sistema per scopi di telecomunicazione per l'ammiragliato britannico alla fine della Prima Guerra Mondiale. Ma il circuito di Eccles-Jordan, più tardi noto come trigger [англ. flip-flop], poteva essere visto anche come un dispositivo di memorizzazione per un numero binario — 1, se il segnale viene trasmesso, e 0 in caso contrario. In questo modo, attraverso n trigger si poteva rappresentare un numero binario di n bit.
Circa dieci anni dopo il trigger, ci fu un secondo significativo progresso nell'elettronica, che si scontrò con il mondo del calcolo: i contatori elettronici. E di nuovo, come spesso accadeva nella prima storia del calcolo, la noia divenne la madre dell'invenzione. I fisici che studiavano le radiazioni delle particelle subatomiche dovevano ascoltare clic o studiare per ore registrazioni fotografiche, contando il numero di rilevamenti per misurare la velocità della radiazione delle particelle attraverso vari materiali. I contatori meccanici o elettromeccanici rappresentavano un'opportunità allettante per semplificare queste operazioni, ma si muovevano troppo lentamente: non riuscivano a registrare molti eventi che si verificavano con intervalli di millisecondi.
Una figura chiave nella risoluzione di questo problema fu , che lavorava sotto la guida di Ernest Rutherford al Cavendish Laboratory di Cambridge. Wynn-Williams maneggiava abilmente l'elettronica e aveva già utilizzato valvole (o tubi, come venivano chiamati in Gran Bretagna) per creare amplificatori attraverso cui era possibile sentire gli eventi che accadevano con le particelle. All'inizio degli anni '30, si rese conto che le valvole potevano essere usate per costruire un contatore che chiamò «contatore a scala binaria» — ovvero, un contatore binario. In sostanza, si trattava di un insieme di trigger in grado di trasmettere commutazioni lungo una catena (nella pratica, utilizzava , tipi di lampade che contenevano non vuoto, ma gas, che potevano rimanere in posizione accesa dopo la completa ionizzazione del gas).
Il contatore di Wynn-Williams divenne rapidamente un dispositivo di laboratorio essenziale per tutti coloro che si occupavano di fisica delle particelle. I fisici costruivano contatori molto piccoli, spesso contenenti tre cifre (cioè, in grado di contare fino a sette). per un contatore meccanico lento e per registrare eventi che accadevano più velocemente di quanto potesse registrare un contatore con parti meccaniche a movimento lento.
Ma in teoria, tali contatori potrebbero essere estesi a numeri di dimensioni o precisione arbitraria. Erano, a rigore, le prime macchine contabili elettroniche digitali.
Il computer Atanasoff-Berry
Atanasoff era consapevole di questa storia, il che lo convinse della possibilità di costruire un computer elettronico. Ma non utilizzò direttamente i contatori binari o i trigger. All'inizio tentò di usare contatori leggermente modificati come base per il sistema di conteggio — dopotutto, cosa è l'addizione se non un conteggio ripetuto? Ma per qualche motivo non riuscì a rendere i circuiti di conteggio abbastanza affidabili e dovette sviluppare i propri schemi per l'addizione e la moltiplicazione. Non poteva utilizzare i trigger per la memorizzazione temporanea dei numeri binari, poiché aveva un budget limitato e un obiettivo ambizioso di memorizzare simultaneamente trenta coefficienti. Come vedremo presto, questa situazione ebbe gravi conseguenze.
Entro il 1939, Atanasoff aveva completato la progettazione del suo computer. Ora aveva bisogno di una persona con le giuste competenze per costruirlo. Trovò tale persona in Clifford Berry, un laureato del dipartimento ingegneristico dell'Università dello Stato dell'Iowa. Entro la fine dell'anno, Atanasoff e Berry costruirono un piccolo prototipo. L'anno successivo terminarono la versione completa del computer con trenta coefficienti. Negli anni '60, uno scrittore che scoprì la loro storia lo chiamò computer Atanasoff-Berry (Atanasoff-Berry Computer, ABC), e il nome rimase. Tuttavia, non riuscirono a eliminare tutti i difetti. In particolare, l'ABC presentava un errore di circa una cifra binaria su 10000, il che sarebbe stato fatale per qualsiasi calcolo di grandi dimensioni.
Clifford Berry e ABC nel 1942
Tuttavia, in Atanasoff e nel suo ABC è possibile trovare le radici e la fonte di tutti i computer moderni. Non ha forse creato (con l'abile aiuto di Berry) il primo computer elettronico digitale binario? Non sono forse queste le caratteristiche fondamentali di miliardi di dispositivi che formano e gestiscono l'economia, la società e la cultura in tutto il mondo?
Ma torniamo indietro. Gli aggettivi digitale e binario non sono prerogativa dell'ABC. Ad esempio, il calcolatore di numeri complessi Bell (Bell Complex Number Computer, CNC), sviluppato circa nello stesso periodo, era un computer digitale, binario ed elettromeccanico, in grado di effettuare calcoli sul piano complesso. Inoltre, sia l'ABC che il CNC erano simili in quanto risolvevano problemi in ambiti limitati e non potevano, a differenza dei computer moderni, accettare sequenze di istruzioni arbitrarie.
Rimane "elettronico". Ma, sebbene le interiora matematiche dell'ABC fossero elettroniche, funzionava a velocità elettromeccaniche. Poiché Atanasoff e Berry non potevano utilizzare lampade elettroniche per motivi finanziari per immagazzinare migliaia di cifre binarie, usarono componenti elettromeccanici. Alcuni centinaia di triode, che eseguivano i calcoli matematici di base, erano circondati da tamburi rotanti e da perforatrici ronzanti, dove erano memorizzati i valori intermedi di tutti i passaggi di calcolo.
Atanasov e Berry hanno svolto un lavoro eroico per leggere e registrare i dati su schede forate a una velocità straordinaria, bruciandole con l'elettricità invece di forarle meccanicamente. Ma questo ha portato a problemi: il dispositivo di bruciatura era responsabile di 1 errore ogni 10.000 numeri. Inoltre, anche con il massimo dei loro sforzi, la macchina non riusciva a "forare" più di una riga al secondo, quindi l'ABC poteva effettuare solo un calcolo al secondo per ciascuno dei trenta dispositivi aritmetici. Nel tempo rimanente, le valvole elettroniche rimanevano inattive, impazienti di "battere le dita sul tavolo", mentre tutta quella meccanica girava dolorosamente lentamente intorno a loro. Atanasov e Berry hanno legato un purosangue a un carro di fieno. (Il responsabile del progetto di ricostruzione dell'ABC negli anni '90 stimava la massima velocità della macchina, tenendo conto di tutte le perdite di tempo, inclusi i tempi di lavoro dell'operatore nella formulazione del problema, in cinque addizioni o sottrazioni al secondo. Questo, ovviamente, è più veloce di un calcolatore umano, ma non è la velocità che associamo ai computer elettronici.)
Schema dell'ABC. I tamburi memorizzavano input e output temporanei su condensa tori. Il circuito a tiratrono per perforare le schede e il lettore di schede registravano e leggevano i risultati di un'intera fase del lavoro dell'algoritmo (eliminando una delle variabili dal sistema di equazioni).
I lavori sull'ABC si fermarono a metà del 1942, quando Atanasov e Berry si arruolarono nella crescente macchina militare degli Stati Uniti, dove servivano non solo corpi ma anche menti. Atanasov fu chiamato al Laboratorio di Artiglieria Navale a Washington, per dirigere un team che sviluppava mine acustiche. Berry si sposò con la segretaria di Atanasov e trovò lavoro in un'azienda sotto contratto con l'esercito in California, per evitare di essere arruolato. Atanasov tentò per un po' di brevettare la sua invenzione nello stato dell'Iowa, ma senza successo. Dopo la guerra, si dedicò ad altro e non tornò più a occuparsi seriamente di computer. Il computer stesso fu mandato in discarica nel 1948, per liberare spazio in ufficio per un nuovo laureato.
Forse Atanasov ha iniziato a lavorare troppo presto. Si basava su modesti finanziamenti universitari e poteva investire solo alcune migliaia di dollari per creare l'ABC, quindi l'economia ha soppiantato tutti gli altri problemi del suo progetto. Se avesse aspettato fino all'inizio degli anni '40, avrebbe potuto ottenere un finanziamento governativo per un dispositivo elettronico completo. E in quello stato - con applicazioni limitate, gestione complessa, inaffidabile e non molto veloce - l'ABC non ha rappresentato una pubblicità promettente per i benefici del calcolo elettronico. La macchina militare americana, nonostante la sua fame di calcolo, ha lasciato l'ABC arrugginire nella cittadina di Ames, Iowa.
Macchine di calcolo della guerra
La Prima Guerra Mondiale ha creato e avviato un sistema di massiccio investimento nella scienza e nella tecnologia, preparandolo per la Seconda Guerra Mondiale. In pochi anni, le pratiche di guerra terrestre e navale sono passate all'uso di gas tossici, mine magnetiche, ricognizione aerea, bombardamenti e altro. Nessun leader politico o militare poteva ignorare tali rapidi cambiamenti. Erano così rapidi che ricerche avviate abbastanza presto potevano inclinare la bilancia da una parte o dall'altra.
Negli Stati Uniti c'erano materiali e menti a disposizione (molti dei quali fuggiti dalla Germania di Hitler), e si trovavano lontano dai combattimenti diretti per la sopravvivenza e il dominio che riguardavano altri paesi. Questo ha permesso al paese di apprendere questa lezione in modo particolarmente chiaro. Si è manifestato nel fatto che ampie risorse industriali e intellettuali sono state dedicate alla creazione della prima arma atomica. Un investimento meno noto, ma non meno importante o di minore entità, è stato il finanziamento per lo sviluppo della tecnologia radar, il cui centro si trovava al MIT nel Rad Lab.
Così, il nascente campo dei calcoli automatici ricevette la sua parte di finanziamenti militari, sebbene su scala molto più ridotta. Abbiamo già notato la varietà dei progetti di calcolo elettromeccanici generati dalla guerra. Il potenziale dei computer a relè era, relativamente parlando, noto, poiché le centrali telefoniche con migliaia di relè funzionavano già da molti anni. I componenti elettronici non avevano ancora dimostrato la loro funzionalità su tali scale. La maggior parte degli esperti riteneva che il computer elettronico sarebbe stato inevitabilmente inaffidabile (ABC ne era un esempio) oppure che la sua costruzione avrebbe richiesto troppo tempo. Nonostante un'improvvisa affluenza di fondi pubblici, i progetti militari nel calcolo elettronico erano pochi e rari. Solo tre progetti sono stati avviati e solo due di essi hanno portato alla creazione di macchine funzionanti.
In Germania, l'ingegnere delle telecomunicazioni Helmut Schreyer dimostrò al suo amico Konrad Zuse il valore della macchina elettronica rispetto al "V3" elettromeccanico che Zuse stava costruendo per l'industria aeronautica (che in seguito divenne noto come Z3). Zuse alla fine accettò di lavorare a un secondo progetto insieme a Schreyer e l'Istituto di Ricerca Aeronautica propose di finanziare un prototipo con 100 valvole alla fine del 1941. Ma i due uomini in un primo momento si dedicarono a progetti militari più prioritari, e in seguito il loro lavoro fu notevolmente rallentato dai danni causati dai bombardamenti, il che li portò a non riuscire mai a far funzionare la loro macchina in modo affidabile.
Zuse (a destra) e Schreyer (a sinistra) lavorano su un computer elettromeccanico nell'appartamento berlinese dei genitori di Zuse.
Il primo computer elettronico capace di svolgere un lavoro utile fu creato in un laboratorio segreto in Gran Bretagna, dove un ingegnere delle telecomunicazioni propose un nuovo approccio radicale all'analisi crittografica basato su valvole. Racconteremo questa storia la prossima volta.
Cosa leggere ancora:
• Alice R. Burks e Arthur W. Burks, The First Electronic Computer: The Atansoff Story (1988)
• David Ritchie, The Computer Pioneers (1986)
• Jane Smiley, The man Who Invented the Computer (2010)
Fonte: habr.com
