Nel nostro descrisse l'ascesa dei commutatori telefonici automatici, controllati tramite circuiti relè. Questa volta vogliamo parlare di come scienziati e ingegneri hanno sviluppato i circuiti relè nella prima generazione, ora dimenticata, di computer digitali.
La staffetta al suo apice
Se ricordi, il funzionamento di un relè si basa su un principio semplice: un elettromagnete aziona un interruttore metallico. L'idea di un relè fu proposta indipendentemente da diversi naturalisti e imprenditori nel settore del telegrafo negli anni '1830 dell'Ottocento. Poi, a metà del XIX secolo, inventori e meccanici trasformarono i relè in un componente affidabile e indispensabile delle reti telegrafiche. Fu in quest'area che la vita del relè raggiunse il suo apice: fu miniaturizzato e generazioni di ingegneri crearono una miriade di progetti mentre si formavano formalmente in matematica e fisica.
All'inizio del XX secolo non solo i sistemi di commutazione automatica, ma anche quasi tutte le apparecchiature della rete telefonica contenevano una sorta di relè. Uno dei primi utilizzi nelle comunicazioni telefoniche risale al 1870, nei centralini manuali. Quando l'abbonato girava la maniglia del telefono (maniglia magnetica), veniva inviato un segnale alla centrale telefonica, accendendo il frullatore. Un Blanker è un relè che, quando attivato, fa cadere una linguetta metallica sul centralino dell'operatore telefonico, indicando una chiamata in arrivo. Successivamente la giovane operatrice ha inserito la spina nel connettore, il relè è stato ripristinato, dopodiché è stato possibile sollevare nuovamente lo sportello, che era mantenuto in questa posizione dall'elettromagnete.
Nel 1924, scrivevano due ingegneri della Bell, la tipica centrale telefonica manuale serviva circa 10 abbonati. La sua attrezzatura conteneva 40-65mila relè, la cui forza magnetica totale era “sufficiente a sollevare 10 tonnellate”. Nelle grandi centrali telefoniche con commutatori automatici, queste caratteristiche venivano moltiplicate per due. Molti milioni di ripetitori furono utilizzati in tutto il sistema telefonico statunitense e il numero era in costante aumento man mano che le centrali telefoniche venivano automatizzate. Un collegamento telefonico potrebbe essere servito da poche fino a diverse centinaia di relè, a seconda del numero e dell'attrezzatura delle centrali telefoniche coinvolte.
Gli stabilimenti della Western Electric, una filiale manifatturiera della Bell Corporation, producevano una vasta gamma di relè. Gli ingegneri hanno creato così tante modifiche che gli allevatori di cani o gli allevatori di piccioni più sofisticati invidierebbero questa varietà. La velocità operativa e la sensibilità del relè sono state ottimizzate e le dimensioni sono state ridotte. Nel 1921, la Western Electric produsse quasi 5 milioni di relè di cento tipi base. Il più popolare era il relè universale di tipo E, un dispositivo piatto, quasi rettangolare, che pesava diverse decine di grammi. Per la maggior parte era realizzato con parti metalliche stampate, ovvero era tecnologicamente avanzato nella produzione. L'alloggiamento proteggeva i contatti dalla polvere e dalle correnti indotte dai dispositivi vicini: solitamente i relè erano montati uno vicino all'altro, in rack con centinaia e migliaia di relè. Sono state sviluppate un totale di 3 varianti di tipo E, ciascuna con diverse configurazioni di avvolgimento e contatti.
Ben presto questi relè iniziarono ad essere utilizzati negli interruttori più complessi.
Commutatore di coordinate
Nel 1910, Gotthilf Betulander, un ingegnere della Royal Telegrafverket, la società statale che controllava la maggior parte del mercato telefonico svedese (per decenni, quasi tutto), ebbe un'idea. Credeva di poter migliorare notevolmente l'efficienza delle operazioni di Telegrafverket costruendo sistemi di commutazione automatica interamente basati su relè. Più precisamente, su matrici di relè: griglie di aste di acciaio collegate a linee telefoniche, con relè alle intersezioni delle aste. Un interruttore di questo tipo dovrebbe essere più veloce, più affidabile e di più facile manutenzione rispetto ai sistemi basati su contatti scorrevoli o rotanti.
Inoltre, Betulander ha avuto l'idea che fosse possibile separare le parti di selezione e collegamento del sistema in circuiti relè indipendenti. E il resto del sistema dovrebbe essere utilizzato solo per stabilire un canale vocale, per poi essere libero di gestire un'altra chiamata. Cioè, Betulander ha avuto un’idea che in seguito è stata chiamata “controllo comune”.
Chiamò “registratore” il circuito che memorizza il numero della chiamata in arrivo (un altro termine è registro). E il circuito che trova e “contrassegna” una connessione disponibile nella rete è chiamato “marker”. L'autore ha brevettato il suo sistema. Molte di queste stazioni apparvero a Stoccolma e Londra. E nel 1918 Betulander venne a conoscenza di un'innovazione americana: l'interruttore di coordinate, creato dall'ingegnere della Bell John Reynolds cinque anni prima. Questo interruttore era molto simile al design di Betulander, ma utilizzava n+m relè di servizio n+m nodi della matrice, che era molto più conveniente per l'ulteriore espansione delle centrali telefoniche. Quando si effettuava una connessione, la barra di tenuta bloccava le "dita" della corda del pianoforte e la barra di selezione si spostava lungo la matrice per connettersi a un'altra chiamata. L'anno successivo, Betulander incorporò questa idea nel progetto del suo interruttore.
Ma la maggior parte degli ingegneri considerava la creazione di Betulander strana e inutilmente complessa. Quando è arrivato il momento di scegliere un sistema di commutazione per automatizzare le reti delle più grandi città svedesi, Telegrafverket ha scelto un progetto sviluppato da Ericsson. Gli interruttori Betulander venivano utilizzati solo nelle piccole centrali telefoniche delle zone rurali: i relè erano più affidabili dell'automazione motorizzata degli interruttori Ericsson e non richiedevano tecnici di manutenzione ad ogni centrale.
Tuttavia, gli ingegneri telefonici americani avevano un'opinione diversa su questo argomento. Nel 1930, gli specialisti dei Bell Labs vennero in Svezia e rimasero “molto colpiti dai parametri del modulo di commutazione delle coordinate”. Quando gli americani tornarono, iniziarono immediatamente a lavorare su quello che divenne noto come il sistema di coordinate n. 1, sostituendo gli interruttori a pannello nelle grandi città. Nel 1938 due di questi sistemi furono installati a New York. Ben presto divennero l'equipaggiamento standard delle centrali telefoniche cittadine, finché, più di 30 anni dopo, gli interruttori elettronici li sostituirono.
Il componente più interessante dell'X-Switch No. 1 era un nuovo marcatore più complesso sviluppato da Bell. Si prevedeva di cercare un percorso libero dal chiamante al chiamato attraverso più moduli di coordinate collegati tra loro, creando così un collegamento telefonico. Il marcatore doveva inoltre verificare lo stato libero/occupato di ciascuna connessione. Ciò ha richiesto l’applicazione della logica condizionale. Come ha scritto lo storico Robert Chapuis:
La scelta è condizionata perché una connessione libera viene mantenuta solo se fornisce l'accesso ad una rete che ha come uscita una connessione libera al livello successivo. Se più insiemi di connessioni soddisfano le condizioni desiderate, la "logica preferenziale" seleziona una delle meno connessioni...
L'interruttore di coordinate è un ottimo esempio di fertilizzazione incrociata di idee tecnologiche. Betulander ha creato il suo interruttore a tutti i relè, poi lo ha migliorato con una matrice di commutazione Reynolds e ha dimostrato le prestazioni del progetto risultante. Gli ingegneri AT&T successivamente ridisegnarono questo switch ibrido, lo migliorarono e crearono il Coordinate System No. 1. Questo sistema divenne poi un componente di due dei primi computer, uno dei quali è ora conosciuto come una pietra miliare nella storia dell'informatica.
Lavoro matematico
Per capire come e perché i relè e i loro cugini elettronici hanno contribuito a rivoluzionare l’informatica, abbiamo bisogno di una breve incursione nel mondo del calcolo infinitesimale. Successivamente diventerà chiaro il motivo per cui esisteva una richiesta nascosta di ottimizzazione dei processi informatici.
All’inizio del XX secolo, l’intero sistema della scienza e dell’ingegneria moderne era basato sul lavoro di migliaia di persone che eseguivano calcoli matematici. Erano chiamati computer (computer) [Per evitare confusione, il termine verrà utilizzato in tutto il testo calcolatrici. - Nota. sentiero]. Nel 1820, Charles Babbage creò (sebbene il suo apparato avesse predecessori ideologici). Il suo compito principale era automatizzare la costruzione di tabelle matematiche, ad esempio per la navigazione (calcolo di funzioni trigonometriche mediante approssimazioni polinomiali a 0 gradi, 0,01 gradi, 0,02 gradi, ecc.). C'era anche una grande richiesta di calcoli matematici in astronomia: era necessario elaborare i risultati grezzi delle osservazioni telescopiche in aree fisse della sfera celeste (a seconda dell'ora e della data delle osservazioni) o determinare le orbite di nuovi oggetti (ad esempio, la cometa di Halley).
Dai tempi di Babbage, la necessità di macchine informatiche è aumentata molte volte. Le società di energia elettrica dovevano comprendere il comportamento dei sistemi di trasmissione di potenza della dorsale con proprietà dinamiche estremamente complesse. I cannoni d'acciaio Bessemer, capaci di lanciare proiettili oltre l'orizzonte (e quindi, grazie all'osservazione diretta del bersaglio, non erano più mirati), necessitavano di tavole balistiche sempre più precise. Nuovi strumenti statistici che comportavano grandi quantità di calcoli matematici (come il metodo dei minimi quadrati) furono sempre più utilizzati sia nella scienza che nel crescente apparato governativo. Dipartimenti di informatica sorsero nelle università, negli enti governativi e nelle società industriali, che in genere reclutavano donne.
I calcolatori meccanici hanno solo facilitato il problema dei calcoli, ma non lo hanno risolto. I calcolatori velocizzavano le operazioni aritmetiche, ma qualsiasi problema scientifico o ingegneristico complesso richiedeva centinaia o migliaia di operazioni, ciascuna delle quali il calcolatore (umano) doveva eseguire manualmente, registrando attentamente tutti i risultati intermedi.
Diversi fattori hanno contribuito all'emergere di nuovi approcci al problema dei calcoli matematici. Giovani scienziati e ingegneri, che di notte calcolavano faticosamente i loro compiti, volevano riposare le mani e gli occhi. Soprattutto dopo la prima guerra mondiale i responsabili di progetto furono costretti a sborsare sempre più denaro per gli stipendi di numerosi computer. Infine, molti problemi scientifici e ingegneristici avanzati erano difficili da calcolare a mano. Tutti questi fattori hanno portato alla creazione di una serie di computer, il cui lavoro è stato svolto sotto la guida di Vannevar Bush, un ingegnere elettrico del Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Analizzatore differenziale
Fino a questo punto la storia è stata spesso impersonale, ma ora inizieremo a parlare di più di persone specifiche. La fama è passata sui creatori dell'interruttore da pannello, del relè di tipo E e del circuito fiducial marker. Su di loro non sono sopravvissuti nemmeno aneddoti biografici. L'unica prova pubblicamente disponibile della loro vita sono i resti fossili delle macchine che hanno creato.
Ora possiamo acquisire una comprensione più profonda delle persone e del loro passato. Ma non incontreremo più coloro che hanno lavorato duramente nelle soffitte e nei laboratori di casa: Morse e Vail, Bell e Watson. Alla fine della prima guerra mondiale, l’era degli inventori eroici era quasi finita. Thomas Edison può essere considerato una figura di transizione: all'inizio della sua carriera era un inventore assunto, e alla fine divenne proprietario di una "fabbrica di invenzioni". A quel punto, lo sviluppo delle nuove tecnologie più importanti era diventato dominio delle organizzazioni: università, dipartimenti di ricerca aziendali, laboratori governativi. Le persone di cui parleremo in questa sezione appartenevano a tali organizzazioni.
Ad esempio, Vannevar Bush. Arrivò al MIT nel 1919, quando aveva 29 anni. Poco più di 20 anni dopo, fu una delle persone che influenzò la partecipazione degli Stati Uniti alla Seconda Guerra Mondiale e contribuì ad aumentare i finanziamenti governativi, cosa che cambiò per sempre il rapporto tra governo, mondo accademico e sviluppo della scienza e della tecnologia. Ma ai fini di questo articolo, siamo interessati a una serie di macchine sviluppate nel laboratorio Bush a partire dalla metà degli anni '1920 e destinate a risolvere il problema dei calcoli matematici.
Il MIT, che si era recentemente trasferito dal centro di Boston al lungomare del fiume Charles a Cambridge, era strettamente allineato con le esigenze dell’industria. Lo stesso Bush, oltre alla sua cattedra, aveva interessi finanziari in diverse imprese nel campo dell'elettronica. Non dovrebbe quindi sorprendere che il problema che ha portato Busch e i suoi studenti a lavorare sul nuovo dispositivo informatico abbia avuto origine nel settore energetico: simulare il comportamento delle linee di trasmissione in condizioni di carico di picco. Ovviamente questa era solo una delle tante possibili applicazioni del computer: ovunque si eseguivano noiosi calcoli matematici.
Busch e i suoi colleghi costruirono prima due macchine chiamate integrafi di prodotto. Ma la macchina del MIT più famosa e di successo era un'altra: analizzatore differenziale, completato nel 1931. Risolse problemi con la trasmissione dell'elettricità, calcolò le orbite degli elettroni, le traiettorie della radiazione cosmica nel campo magnetico terrestre e molto altro. I ricercatori di tutto il mondo, bisognosi di potenza di calcolo, crearono dozzine di copie e varianti dell'analizzatore differenziale negli anni '1930. Alcuni provengono addirittura da Meccano (l'analogo inglese dei set di costruzioni americani per bambini del marchio ).
Un analizzatore differenziale è un computer analogico. Le funzioni matematiche sono state calcolate utilizzando aste metalliche rotanti, la velocità di rotazione di ciascuna delle quali rifletteva un valore quantitativo. Il motore azionava un'asta indipendente - una variabile (di solito rappresentava il tempo), che, a sua volta, faceva ruotare altre aste (diverse variabili differenziali) attraverso collegamenti meccanici, e una funzione veniva calcolata in base alla velocità di rotazione in ingresso. I risultati dei calcoli sono stati disegnati su carta sotto forma di curve. I componenti più importanti erano gli integratori: ruote che ruotavano come dischi. Gli integratori potrebbero calcolare l'integrale di una curva senza noiosi calcoli manuali.
Analizzatore differenziale. Modulo integrale - con coperchio rialzato, sul lato della finestra ci sono tabelle con i risultati dei calcoli e al centro - una serie di aste di calcolo
Nessuno dei componenti dell'analizzatore conteneva relè di commutazione discreti o interruttori digitali. Allora perché stiamo parlando di questo dispositivo? La risposta è il quarto auto familiare.
All'inizio degli anni '1930, Bush iniziò a corteggiare la Fondazione Rockefeller per ottenere finanziamenti per l'ulteriore sviluppo dell'analizzatore. Warren Weaver, responsabile delle scienze naturali della fondazione, inizialmente non era convinto. L'ingegneria non era la sua area di competenza. Ma Busch encomiò il potenziale illimitato della sua nuova macchina per le applicazioni scientifiche, soprattutto nella biologia matematica, il progetto preferito di Weaver. Bush ha anche promesso numerosi miglioramenti all'analizzatore, inclusa "la capacità di passare rapidamente l'analizzatore da un problema all'altro, come un centralino telefonico". Nel 1936, i suoi sforzi furono ricompensati con una sovvenzione di 85 dollari per la creazione di un nuovo dispositivo, che in seguito fu chiamato Analizzatore differenziale Rockefeller.
Come computer pratico, questo analizzatore non è stato un grande passo avanti. Bush, che divenne vicepresidente del MIT e preside dell'ingegneria, non poté dedicare molto tempo alla direzione dello sviluppo. Infatti, presto si ritirò, assumendo l'incarico di presidente della Carnegie Institution a Washington. Bush sentiva che la guerra si stava avvicinando e aveva diverse idee scientifiche e industriali che potevano soddisfare le esigenze militari. Cioè, voleva essere più vicino al centro del potere, dove avrebbe potuto influenzare in modo più efficace la risoluzione di determinate questioni.
Allo stesso tempo, i problemi tecnici dettati dal nuovo progetto furono risolti dal personale del laboratorio, che presto cominciò ad essere dirottato per lavorare su problemi militari. La macchina Rockefeller fu completata solo nel 1942. I militari lo trovarono utile per la produzione in linea di tavole balistiche per l'artiglieria. Ma presto questo dispositivo fu completamente eclissato digitale computer: rappresentano i numeri non come quantità fisiche, ma in modo astratto, utilizzando le posizioni degli interruttori. È successo che l'analizzatore Rockefeller stesso utilizzasse molti interruttori simili, costituiti da circuiti relè.
Shannon
Nel 1936, Claude Shannon aveva solo 20 anni, ma si era già laureato in ingegneria elettrica e matematica all'Università del Michigan. Fu portato al MIT da un volantino affisso su una bacheca. Vannevar Bush stava cercando un nuovo assistente per lavorare sull'analizzatore differenziale. Shannon presentò la sua domanda senza esitazione e presto iniziò a lavorare su nuovi problemi prima che il nuovo dispositivo cominciasse a prendere forma.
Shannon non assomigliava per niente a Bush. Non era né un uomo d'affari, né un costruttore di imperi accademici, né un amministratore. Per tutta la vita amò i giochi, gli enigmi e gli intrattenimenti: scacchi, giocoleria, labirinti, crittogrammi. Come molti uomini della sua epoca, durante la guerra Shannon si dedicò a affari seri: ricoprì un incarico presso i Bell Labs con un contratto governativo, che protesse il suo fragile corpo dalla coscrizione militare. Le sue ricerche sul controllo del fuoco e sulla crittografia durante questo periodo portarono, a loro volta, a un lavoro fondamentale sulla teoria dell'informazione (di cui non parleremo). Negli anni '1950, quando la guerra e le sue conseguenze si placarono, Shannon tornò a insegnare al MIT, trascorrendo il suo tempo libero in diversivi: una calcolatrice che funzionava esclusivamente con numeri romani; una macchina, all'accensione, da essa appariva un braccio meccanico che spegneva la macchina.
La struttura della macchina Rockefeller che Shannon incontrò era logicamente identica a quella dell'analizzatore del 1931, ma era costruita con componenti fisici completamente diversi. Busch si rese conto che le aste e gli ingranaggi meccanici delle macchine più vecchie riducevano l'efficienza del loro utilizzo: per eseguire i calcoli, la macchina doveva essere impostata, il che richiedeva molte ore di lavoro da parte di meccanici esperti.
Il nuovo analizzatore ha perso questo inconveniente. Il suo design non era basato su un tavolo con aste, ma su un commutatore a dischi incrociati, un prototipo in eccedenza donato dai Bell Labs. Invece di trasmettere energia da un albero centrale, ciascun modulo integrale era azionato in modo indipendente da un motore elettrico. Per configurare la macchina per risolvere un nuovo problema è stato sufficiente configurare semplicemente i relè nella matrice di coordinate per collegare gli integratori nella sequenza desiderata. Un lettore di nastri perforati (preso in prestito da un altro dispositivo di telecomunicazioni, la telescrivente) leggeva la configurazione della macchina e un circuito relè convertiva il segnale del nastro in segnali di controllo per la matrice: era come impostare una serie di chiamate telefoniche tra integratori.
La nuova macchina non solo era molto più veloce e facile da configurare, ma era anche più veloce e precisa rispetto al suo predecessore. Potrebbe risolvere problemi più complessi. Oggi questo computer potrebbe essere considerato primitivo, perfino stravagante, ma all’epoca sembrava agli osservatori che fosse all’opera una grande – o forse terribile – intelligenza:
Fondamentalmente, è un robot matematico. Un automa alimentato elettricamente progettato non solo per alleviare il cervello umano dal peso di calcoli e analisi pesanti, ma per affrontare e risolvere problemi matematici che non possono essere risolti dalla mente.
Shannon si concentrò sulla conversione dei dati dal nastro di carta in istruzioni per il "cervello", e il circuito relè era responsabile di questa operazione. Notò la corrispondenza tra la struttura del circuito e le strutture matematiche dell'algebra booleana, che studiò alla scuola di specializzazione del Michigan. Questa è un'algebra i cui operandi erano Vero e falsoe dagli operatori - E, O, NO ecc. Algebra corrispondente ad affermazioni logiche.
Dopo aver trascorso l'estate del 1937 lavorando ai Bell Labs di Manhattan (un luogo ideale per pensare ai circuiti relè), Shannon scrisse la sua tesi di master intitolata "A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits". Insieme al lavoro di Alan Turing dell'anno prima, la tesi di Shannon costituì le basi della scienza informatica.
Negli anni Quaranta e Cinquanta, Shannon costruì diverse macchine informatiche/logiche: la calcolatrice romana THROBAC, una macchina per i finali degli scacchi e Teseo, un labirinto attraverso il quale si muoveva un mouse elettromeccanico (nella foto).
Shannon scoprì che un sistema di equazioni logiche proposizionali poteva essere direttamente convertito meccanicamente in un circuito fisico di interruttori a relè. E concluse: "Praticamente qualsiasi operazione che possa essere descritta in un numero finito di passi usando le parole SE, E, O ecc., possono essere eseguiti automaticamente utilizzando un relè.” Ad esempio, due relè di commutazione controllati collegati in serie formano una logica И: La corrente scorrerà attraverso il cavo principale solo quando entrambi gli elettromagneti sono attivati per chiudere gli interruttori. Allo stesso tempo, due relè collegati in parallelo OR: La corrente scorre attraverso il circuito principale, attivata da uno degli elettromagneti. L'uscita di tale circuito logico può, a sua volta, controllare gli elettromagneti di altri relè per produrre operazioni logiche più complesse come (A И B) o (C И G).
Shannon ha concluso la sua tesi con un'appendice contenente diversi esempi di circuiti realizzati utilizzando il suo metodo. Poiché le operazioni dell'algebra booleana sono molto simili alle operazioni aritmetiche in binario (cioè utilizzando numeri binari), ha mostrato come un relè potrebbe essere assemblato in un "sommatore elettrico in binario": lo chiamiamo sommatore binario. Pochi mesi dopo, uno degli scienziati dei Bell Labs costruì una simile vipera sul tavolo della sua cucina.
Stibitz
George Stibitz, un ricercatore del dipartimento di matematica presso la sede dei Bell Labs a Manhattan, portò a casa uno strano set di apparecchiature in una buia sera di novembre del 1937. Celle della batteria a secco, due piccole luci per i pannelli hardware e un paio di relè di tipo U piatti trovati in un bidone della spazzatura. Aggiungendo alcuni fili e qualche spazzatura, assemblò un dispositivo in grado di sommare due numeri binari a una cifra (rappresentati dalla presenza o assenza di una tensione in ingresso) e generare un numero a due cifre utilizzando le lampadine: uno per acceso, zero per spento.
Sommatore binario di Stiebitz
A Stiebitz, un fisico di formazione, è stato chiesto di valutare le proprietà fisiche dei magneti dei relè. Non aveva alcuna esperienza precedente con i relè e così iniziò a studiare il loro utilizzo nei circuiti telefonici Bell. George notò presto delle somiglianze tra alcuni circuiti e le operazioni aritmetiche binarie. Incuriosito, ha assemblato il suo progetto parallelo sul tavolo della cucina.
Inizialmente, l'attività di Stiebitz con i relè suscitò scarso interesse tra i dirigenti dei Bell Labs. Ma nel 1938, il capo del gruppo di ricerca chiese a George se le sue calcolatrici potessero essere usate per operazioni aritmetiche con numeri complessi (ad es. a+biDove i è la radice quadrata di un numero negativo). Si è scoperto che diversi dipartimenti informatici dei Bell Labs già gemevano perché dovevano costantemente moltiplicare e dividere tali numeri. Moltiplicare un numero complesso richiedeva quattro operazioni aritmetiche su una calcolatrice da tavolo, la divisione richiedeva 16 operazioni. Stibitz disse che avrebbe potuto risolvere il problema e progettò un circuito macchina per tali calcoli.
Il progetto finale, realizzato in metallo dall'ingegnere telefonico Samuel Williams, fu chiamato Complex Number Computer - o Complex Computer in breve - e lanciato nel 1940. Per i calcoli sono stati utilizzati 450 relè, i risultati intermedi sono stati memorizzati in dieci interruttori di coordinate. I dati sono stati immessi e ricevuti utilizzando una telescrivente. I dipartimenti dei Bell Labs hanno installato tre telescriventi di questo tipo, il che indica una grande necessità di potenza di calcolo. Relè, matrice, telescriventi: in ogni modo era un prodotto del sistema Bell.
Il momento più bello della Complex Computer avvenne l'11 settembre 1940. Stiebitz presentò una relazione sul computer in una riunione dell'American Mathematical Society al Dartmouth College. Concordò che lì sarebbe stata installata una telescrivente con un collegamento telegrafico al Complex Computer di Manhattan, a 400 chilometri di distanza. Chi fosse interessato può andare alla telescrivente, inserire le condizioni del problema sulla tastiera e vedere come in meno di un minuto la telescrivente stampa magicamente il risultato. Tra coloro che testarono il nuovo prodotto c'erano John Mauchly e John von Neumann, ognuno dei quali avrebbe svolto un ruolo importante nel continuare la nostra storia.
I partecipanti all'incontro hanno visto un breve scorcio del mondo futuro. Successivamente, i computer divennero così costosi che gli amministratori non potevano più permettersi di lasciarli inattivi mentre l'utente si grattava il mento davanti alla console di gestione, chiedendosi cosa digitare dopo. Nel corso dei prossimi vent’anni, gli scienziati penseranno a come costruire computer generici che aspetteranno sempre che tu inserisca dati, anche mentre lavori su qualcos’altro. E poi passeranno altri 20 anni prima che questa modalità interattiva di calcolo diventi all'ordine del giorno.
Stiebitz dietro il Dartmouth Interactive Terminal negli anni '1960. Il Dartmouth College è stato un pioniere nell'informatica interattiva. Stiebitz divenne professore universitario nel 1964
È sorprendente che, nonostante i problemi che risolve, Complex Computer, secondo gli standard moderni, non sia affatto un computer. Potrebbe eseguire operazioni aritmetiche su numeri complessi e probabilmente risolvere altri problemi simili, ma non problemi di carattere generale. Non era programmabile. Non poteva eseguire operazioni in ordine casuale o ripetutamente. Era una calcolatrice in grado di eseguire determinati calcoli molto meglio dei suoi predecessori.
Con lo scoppio della seconda guerra mondiale, Bell, sotto la guida di Stiebitz, creò una serie di computer chiamati Modello II, Modello III e Modello IV (il computer complesso, di conseguenza, fu chiamato Modello I). La maggior parte di essi furono costruiti su richiesta del Comitato nazionale per la ricerca sulla difesa, diretto nientemeno che da Vannevar Bush. Stibitz ha migliorato la progettazione delle macchine in termini di maggiore versatilità di funzioni e programmabilità.
Ad esempio, il calcolatore balistico (successivamente Modello III) è stato sviluppato per le esigenze dei sistemi di controllo del fuoco antiaereo. Entrò in funzione nel 1944 a Fort Bliss, in Texas. Il dispositivo conteneva 1400 relè e poteva eseguire un programma di operazioni matematiche determinate da una sequenza di istruzioni su un nastro di carta avvolto in un anello. Un nastro con i dati di input è stato fornito separatamente, mentre i dati tabulari sono stati forniti separatamente. Ciò ha permesso di trovare rapidamente i valori, ad esempio, di funzioni trigonometriche senza calcoli reali. Gli ingegneri Bell hanno sviluppato speciali circuiti di ricerca (circuiti di caccia) che scansionavano il nastro avanti/indietro e cercavano l'indirizzo del valore della tabella desiderato, indipendentemente dai calcoli. Stibitz scoprì che il suo computer Modello III, facendo clic sui relè giorno e notte, sostituiva 25-40 computer.
Rack relè Bell Modello III
L'auto Modello V non aveva più il tempo di assistere al servizio militare. È diventato ancora più versatile e potente. Se valutiamo il numero di computer che ha sostituito, era circa dieci volte più grande del Modello III. Diversi moduli informatici con 9mila relè potrebbero ricevere dati in ingresso da diverse stazioni, dove gli utenti inserirono le condizioni di diversi compiti. Ciascuna di queste stazioni aveva un lettore di nastri per l'immissione dei dati e cinque per le istruzioni. Ciò ha permesso di richiamare varie subroutine dal nastro principale durante il calcolo di un'attività. Il modulo di controllo principale (essenzialmente un analogo del sistema operativo) distribuiva le istruzioni tra i moduli di calcolo a seconda della loro disponibilità e i programmi potevano eseguire salti condizionali. Non era più solo una calcolatrice.
Anno dei miracoli: 1937
L'anno 1937 può essere considerato un punto di svolta nella storia dell'informatica. Quell'anno Shannon e Stibitz notarono somiglianze tra i circuiti relè e le funzioni matematiche. Questi risultati hanno portato i Bell Labs a creare una serie di importanti macchine digitali. Era una specie di - o addirittura sostituzione - quando un modesto relè telefonico, senza cambiare la sua forma fisica, divenne l'incarnazione della matematica e della logica astratte.
Nello stesso anno nel numero di gennaio della pubblicazione Atti della London Mathematical Society ha pubblicato un articolo del matematico britannico Alan Turing “Sui numeri computabili in relazione a "(Sui numeri calcolabili, con un'applicazione all'Entscheidungsproblem). Descriveva una macchina informatica universale: l'autore sosteneva che poteva eseguire azioni logicamente equivalenti alle azioni dei computer umani. Anche Turing, che l'anno precedente aveva frequentato la scuola di specializzazione presso l'Università di Princeton, era affascinato dai circuiti a staffetta. E, come Bush, è preoccupato per la crescente minaccia di guerra con la Germania. Quindi ha intrapreso un progetto di crittografia parallelo: un moltiplicatore binario che potrebbe essere utilizzato per crittografare le comunicazioni militari. Turing lo costruì utilizzando relè assemblati nell'officina meccanica dell'università.
Sempre nel 1937, Howard Aiken stava pensando a una proposta di macchina calcolatrice automatica. Studente laureato in ingegneria elettrica ad Harvard, Aiken ha eseguito la sua giusta dose di calcoli utilizzando solo una calcolatrice meccanica e libri stampati di tabelle di matematica. Ha proposto un progetto che eliminerebbe questa routine. A differenza dei dispositivi informatici esistenti, avrebbe dovuto elaborare i processi in modo automatico e ciclico, utilizzando i risultati dei calcoli precedenti come input per quelli successivi.
Nel frattempo, presso la Nippon Electric Company, l’ingegnere delle telecomunicazioni Akira Nakashima aveva esplorato le connessioni tra i circuiti relè e la matematica fin dal 1935. Alla fine, nel 1938, dimostrò in modo indipendente l'equivalenza dei circuiti relè con l'algebra booleana, che Shannon aveva scoperto un anno prima.
A Berlino Konrad Zuse, un ex ingegnere aeronautico stanco degli infiniti calcoli richiesti sul lavoro, cercava fondi per costruire un secondo computer. Non riusciva a far funzionare in modo affidabile il suo primo dispositivo meccanico, il V1, quindi voleva realizzare un computer relè, che ha sviluppato in collaborazione con il suo amico, l'ingegnere delle telecomunicazioni Helmut Schreyer.
La versatilità dei relè telefonici, le conclusioni sulla logica matematica, il desiderio di menti brillanti di liberarsi del lavoro noioso: tutto questo si è intrecciato e ha portato all'emergere dell'idea di un nuovo tipo di macchina logica.
Generazione dimenticata
I frutti delle scoperte e degli sviluppi del 1937 dovettero maturare per diversi anni. La guerra si rivelò il fertilizzante più potente e, con il suo avvento, i computer relè iniziarono ad apparire ovunque esistesse la necessaria competenza tecnica. La logica matematica divenne il traliccio dell’ingegneria elettrica. Emersero nuove forme di macchine informatiche programmabili: il primo abbozzo di computer moderni.
Oltre alle macchine di Stiebitz, nel 1944 gli Stati Uniti potevano vantare l'Harvard Mark I/IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), un risultato della proposta di Aiken. Il doppio nome è nato a causa del deterioramento dei rapporti tra mondo accademico e industria: tutti rivendicavano i diritti sul dispositivo. Il Mark I/ASCC utilizzava circuiti di controllo a relè, ma l'unità aritmetica principale era basata sull'architettura delle calcolatrici meccaniche IBM. Il veicolo è stato creato per le esigenze dell'US Bureau of Shipbuilding. Il suo successore, il Mark II, iniziò ad operare nel 1948 in un sito di test della Marina, e tutte le sue operazioni erano basate interamente su relè: 13 relè.
Durante la guerra Zuse costruì diversi computer relè, sempre più complessi. Il culmine fu il V4, che, come il Bell Model V, includeva impostazioni per richiamare subroutine ed eseguire salti condizionali. A causa della carenza di materiali in Giappone, nessuno dei progetti di Nakashima e dei suoi compatrioti fu realizzato in metallo finché il paese non si riprese dalla guerra. Negli anni '1950, il neonato Ministero del commercio estero e dell'industria finanziò la creazione di due macchine a relè, la seconda delle quali era un mostro con 20mila relè. Fujitsu, che ha partecipato alla creazione, ha sviluppato i propri prodotti commerciali.
Oggi queste macchine sono quasi del tutto dimenticate. Rimane in memoria un solo nome: ENIAC. Il motivo dell’oblio non è legato alla loro complessità, capacità o velocità. Le proprietà computazionali e logiche dei relè, scoperte da scienziati e ricercatori, si applicano a qualsiasi tipo di dispositivo che possa fungere da interruttore. E così accadde che fosse disponibile un altro dispositivo simile - elettronico un interruttore che potrebbe funzionare centinaia di volte più velocemente di un relè.
L’importanza della Seconda Guerra Mondiale nella storia dell’informatica dovrebbe già essere ovvia. La guerra più terribile divenne l'impulso per lo sviluppo delle macchine elettroniche. Il suo lancio ha liberato le risorse necessarie per superare le evidenti carenze degli interruttori elettronici. Il regno dei computer elettromeccanici fu di breve durata. Come i Titani, furono rovesciati dai loro figli. Come i relè, anche la commutazione elettronica è nata dalle esigenze dell'industria delle telecomunicazioni. E per scoprire da dove viene, dobbiamo riavvolgere la nostra storia fino agli albori dell’era della radio.
Fonte: habr.com