Nel nostro era descritto il fiorire degli interruttori telefonici automatici, che erano controllati tramite schemi a relè. Questa volta vogliamo parlare di come scienziati e ingegneri svilupparono schemi a relè nella prima generazione di computer digitali, ormai dimenticata.
Il relè al culmine
Se ricordate, il funzionamento di un relè si basa su un principio semplice: un elettromagnete aziona un interruttore metallico. L'idea del relè fu proposta in modo indipendente da diversi scienziati e imprenditori nel campo del telegrafia negli anni '30 dell'Ottocento. Poi, a metà del XIX secolo, inventori e meccanici trasformarono il relè in un componente affidabile e insostituibile delle reti telegrafiche. Proprio in questo settore la vita del relè raggiunse il culmine: venne miniaturizzato, e generazioni di ingegneri crearono un'infinità di costrutti, apprendendo formalmente la matematica e la fisica.
All'inizio del XX secolo, non solo i sistemi di commutazione automatici, ma praticamente tutte le attrezzature delle reti telefoniche contenevano vari tipi di relè. Uno dei primi utilizzi nel telefoni risale agli anni '70, nei centralini manuali. Quando un abbonato girava la manovella del telefono (manovella del magneto), un segnale veniva inviato alla centrale telefonica, attivando un blinker. Il blinker è un relè, il cui funzionamento attivava una tendina metallica sul tavolo di commutazione dell'operatore telefonico, segnalando un'in chiamata in arrivo. Allora l'operatrice inseriva la spina nella presa, il relè si disattivava, e quindi si poteva sollevare nuovamente la tendina, che in quella posizione veniva mantenuta dall'elettromagnete.
Nel 1924, come scrissero due ingegneri della Bell, una tipica centrale telefonica manuale serviva circa 10.000 abbonati. Nel suo equipaggiamento conteneva da 40 a 65.000 relè, la cui forza magnetica totale era "sufficiente per sollevare 10 tonnellate". Nelle grandi centrali telefoniche con interruttori automatici, queste caratteristiche venivano moltiplicate per due. Nell'intero sistema telefonico degli Stati Uniti venivano utilizzati milioni di relè, e il loro numero aumentava costantemente con l'automazione delle centrali telefoniche. Una connessione telefonica poteva essere gestita da pochi a diverse centinaia di relè, a seconda del numero e dell'equipaggiamento delle centrali telefoniche coinvolte.
Le fabbriche della Western Electric, parte della struttura produttiva della Bell Corporation, producevano un'ampia gamma di relè. Gli ingegneri crearono così tante varianti che persino i più esperti allevatori di cani o collezionisti di piccioni avrebbero invidiato questa varietà. La velocità di funzionamento e la sensibilità dei relè vennero ottimizzate, le dimensioni diminuirono. Nel 1921, la Western Electric produsse quasi 5 milioni di relè dei 100 tipi principali. Il più diffuso era il relè universale Type E, un dispositivo piatto, praticamente rettangolare, del peso di alcune decine di grammi. Era per lo più realizzato in parti metalliche stampate, ovvero era tecnicamente avanzato nella produzione. Il guscio proteggeva i contatti polverosi e le correnti indotte da dispositivi adiacenti: solitamente i relè venivano montati in contiguità, in rack con centinaia e migliaia di relè. Furono sviluppati complessivamente 3.000 varianti del Type E, ognuna delle quali differiva per configurazioni di avvolgimento e contatti.
Ben presto, questi relè iniziarono a essere utilizzati nei commutatori più complessi.
Commutatore di coordinate
Nel 1910, Gotthilf Betulander, ingegnere della Royal Telegrafverket — l'agenzia statale che controllava gran parte del mercato telefonico svedese (per decenni, quasi tutto) — ebbe un'idea. Credeva di poter migliorare notevolmente l'efficienza delle operazioni del Telegrafverket mediante la costruzione di sistemi di commutazione automatici, completamente basati su relè. Più precisamente, su matrici di relè: griglie di barre d'acciaio collegate alle linee telefoniche, con relè nei punti di incrocio delle barre. Un tale commutatore doveva funzionare più velocemente, in modo più affidabile e risultare più semplice da manutenere rispetto ai sistemi basati su contatti scorrevoli o rotanti.
Inoltre, Betulander propose di isolare le parti del sistema responsabili della selezione e della connessione in schemi relè indipendenti. La parte restante del sistema doveva essere utilizzata solo per stabilire il canale vocale e quindi liberata per la gestione di un'altra chiamata. In altre parole, Betulander giunse all'idea che in seguito fu chiamata «controllo comune».
Il schema che memorizza il numero della chiamata in ingresso è stato chiamato «recorder» (un altro termine è registratore). E il schema che trova nella griglia e «contrassegna» la connessione disponibile è stato chiamato «marker». L'autore ha brevettato il suo sistema. Diverse di queste stazioni sono apparse a Stoccolma e Londra. E nel 1918, Betulander ha appreso delle innovazioni americane: il commutatore a coordinate, creato dall'ingegnere Bell John Reynolds cinque anni prima. Questo commutatore assomigliava molto allo sviluppo di Betulander, ma utilizzava n + m relè per la gestione n + m dei nodi della matrice, il che era molto più conveniente per l'espansione delle centraline telefoniche. Durante l'installazione della connessione, la staffa di messa a punto bloccava i «ditali» delle corde di pianoforte, mentre la staffa di selezione si muoveva sulla matrice per connettersi a un'altra chiamata. L'anno successivo, Betulander ha implementato questa idea nella costruzione del suo commutatore.
Ma la maggior parte degli ingegneri considerava l'invenzione di Betulander strana e troppo complessa. Quando venne il momento di scegliere un sistema di commutazione per l'automazione delle reti delle più grandi città svedesi, Telegrafverket preferì una costruzione sviluppata dall'azienda Ericsson. I commutatori di Betulander venivano utilizzati solo in piccole centrali telefoniche nelle zone rurali: i relè erano più affidabili della automazione motorizzata dei commutatori Ericsson e non richiedevano tecnici di manutenzione in ogni stazione.
Tuttavia, gli ingegneri telefonici americani avevano un'opinione diversa al riguardo. Nel 1930, gli specialisti dei Bell Labs arrivarono in Svezia e furono «molto colpiti dalle caratteristiche del modulo di commutazione a coordinate». Una volta tornati, gli americani iniziarono immediatamente a lavorare su ciò che divenne poi noto come «sistema delle coordinate n. 1», che sostituì i commutatori a pannello nelle grandi città. Entro il 1938, due di questi sistemi furono installati a New York. Presto divennero attrezzature standard per le centrali telefoniche urbane, fino a quando più di 30 anni dopo non furono sostituiti da commutatori elettronici.
Il componente più interessante dello switch di coordinate n. 1 è stato un nuovo marcatore, più complesso, sviluppato da Bell. Era progettato per trovare un percorso libero dalla parte chiamante a quella chiamata attraverso diversi moduli di coordinate interconnessi, grazie ai quali veniva stabilita una connessione telefonica. Inoltre, il marcatore doveva testare ogni connessione per vedere se era "libera" o "occupata". Questo richiedeva l'uso di logica condizionale. Come ha scritto lo storico Robert Chapuis:
La scelta è condizionata, perché una connessione libera è mantenuta solo se fornisce accesso al binario di coordinate, che ha come uscita una connessione libera con il livello successivo. Se più set di connessioni soddisfano le condizioni richieste, allora la "logica preferenziale" sceglie una delle [esistenti] connessioni meno numerose...
Lo switch di coordinate è un ottimo esempio di arricchimento reciproco delle idee tecnologiche. Betulander ha creato il suo switch interamente a relè, poi l'ha migliorato con la matrice di commutazione di Reynolds e ha dimostrato la funzionalità della costruzione risultante. Gli ingegneri di AT&T in seguito hanno rielaborato questo switch ibrido, lo hanno migliorato e creato il sistema di coordinate n. 1. Questo sistema è poi diventato un componente di due delle prime macchine computazionali, una delle quali è ora conosciuta come un punto di riferimento nella storia dell'informatica.
Calcoli matematici (Mathematical labor)
Per comprendere come e perché i relè e le loro controparti elettroniche abbiano rivoluzionato l'informatica, abbiamo bisogno di una breve escursione nel mondo dei calcoli matematici. Dopo di che sarà chiaro perché è emersa la domanda nascosta di ottimizzare i processi computazionali.
All'inizio del XX secolo, l'intero sistema della scienza e dell'ingegneria moderna si basava sul lavoro di migliaia di persone che eseguivano calcoli matematici. Erano chiamati computer (computers) [Per evitare confusione, nel testo seguente sarà utilizzato il termine calcolatori. — Nota dell'editore.]. Già negli anni 1820, Charles Babbage creò (anche se il suo dispositivo aveva dei precedenti ideologici). Il suo compito principale era l'automazione della costruzione di tabelle matematiche, ad esempio per la navigazione (il calcolo delle funzioni trigonometriche tramite approssimazioni polinomiali a 0 gradi, 0,01 gradi, 0,02 gradi e così via). C'era anche una grande domanda di calcoli matematici in astronomia: era necessario elaborare i risultati grezzi delle osservazioni telescopiche in aree fisse della sfera celeste (in base al tempo e alla data delle osservazioni) o determinare le orbite di nuovi oggetti (per esempio, la cometa di Halley).
Dai tempi di Babbage, la necessità di macchine computazionali è aumentata esponenzialmente. Le compagnie energetiche avevano bisogno di comprendere il comportamento dei sistemi di trasmissione energetica con proprietà dinamiche estremamente complesse. I cannoni in acciaio Bessemer, capaci di lanciare proiettili oltre l'orizzonte (e quindi, grazie all'osservazione diretta del bersaglio, non necessitavano più di puntamento), richiedevano tabelle balistiche sempre più precise. Nuovi strumenti statistici, comportanti un grande volume di calcoli matematici (come il metodo dei minimi quadrati), venivano utilizzati sempre di più sia nella scienza che nel crescente apparato statale. Negli università, nelle istituzioni governative e nelle aziende industriali emergessero dipartimenti di calcolo, dove venivano normalmente assunte donne.
I calcolatori meccanici hanno solo reso più facile il compito dei calcoli, ma non lo hanno risolto. I calcolatori hanno accelerato le operazioni aritmetiche, ma qualsiasi compito scientifico o ingegneristico complesso richiedeva centinaia o migliaia di operazioni, ciascuna delle quali il calcolatore (persona) doveva eseguire manualmente, annotando con attenzione tutti i risultati intermedi.
L'emergere di nuovi approcci al problema dei calcoli matematici è stato influenzato da diversi fattori. Giovani scienziati e ingegneri, che passavano le notti a calcolare le loro attività, desideravano dare una pausa alle mani e agli occhi. I responsabili dei progetti erano costretti a spendere sempre di più in stipendi per i numerosi calcolatori, soprattutto dopo la Prima guerra mondiale. Infine, molte importanti questioni scientifiche e ingegneristiche si prestavano con grande difficoltà ai calcoli manuali. Tutti questi fattori portarono alla creazione di una serie di macchine calcolatrici, il cui sviluppo avvenne sotto la direzione di Vannevar Bush, un ingegnere elettrico del Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Analizzatore differenziale
Fino a questo momento, la storia era spesso impersonale, ma ora parleremo di persone concrete. La gloria ha trascurato i creatori dell'interruttore a pannello, del relè di tipo E e dello schema del marcatore di coordinate. Non sono rimasti nemmeno aneddoti biografici su di loro. Le uniche testimonianze pubblicamente accessibili della loro vita sono i resti fossili delle macchine da loro create.
Ora possiamo avere una comprensione più profonda delle persone e del loro passato. Ma non incontreremo più coloro che lavoravano instancabilmente nelle soffitte e nei laboratori delle loro case — 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, ma alla fine era il proprietario di una "fabbrica di invenzioni". A quel tempo, lo sviluppo delle tecnologie più significative era diventato appannaggio delle organizzazioni — università, centri di ricerca delle aziende, laboratori governativi. Le persone di cui parleremo in questa sezione appartenevano proprio a queste organizzazioni.
Ad esempio, Vannevar Bush. Giunse al MIT nel 1919, quando aveva 29 anni. Poco più di 20 anni dopo, fu fra le persone che influenzarono il coinvolgimento degli Stati Uniti nella Seconda guerra mondiale, contribuendo ad aumentare il finanziamento pubblico, il che cambiò per sempre le relazioni tra governo, ambiente accademico e sviluppo della scienza e della tecnologia. Tuttavia, in questo articolo ci interessa una serie di macchine sviluppate nel laboratorio di Bush dalla metà degli anni '20, destinate a risolvere il problema dei calcoli matematici.
Il MIT, recentemente trasferito dal centro di Boston al lungofiume del Charles a Cambridge, era strettamente legato alle esigenze dell'industria. Lo stesso Bush, oltre alla sua attività di professore, aveva interessi finanziari in diverse imprese nel settore dell'elettronica. Quindi non dovrebbe sorprenderla il fatto che il problema che portò Bush e i suoi studenti a lavorare su un nuovo dispositivo di calcolo fosse emerso nell'industria energetica: era necessario modellare il comportamento delle linee elettriche ad alta tensione nelle condizioni di picco. È evidente che si trattava solo di una delle molte possibili applicazioni delle macchine di calcolo: calcoli matematici laboriosi venivano effettuati ovunque.
Bush e i suoi collaboratori costruirono inizialmente due macchine, denominate integratori di prodotto (product integraphs). Ma la macchina più nota e riuscita del MIT fu un'altra — analizzatore differenziale, completata nel 1931. Risolveva problemi di trasmissione di energia elettrica, calcolava le orbite degli elettroni, le traiettorie della radiazione cosmica nel campo magnetico terrestre e molto altro. Ricercatori di tutto il mondo, che avevano bisogno di potenza di calcolo, negli anni '30 crearono decine di copie e varianti dell'analizzatore differenziale. Alcuni — anche realizzati con Meccano (analogo inglese dei set di costruzione americani) ).
L'analizzatore differenziale è un computer analogico. Le funzioni matematiche venivano calcolate utilizzando barre metalliche rotanti, la velocità di rotazione di ciascuna delle quali rifletteva un certo valore quantitativo. Un motore azionava una barra indipendente — la variabile (di solito rappresentava il tempo), che a sua volta, tramite connessioni meccaniche, faceva ruotare altre barre (diverse variabili differenziali), e sulla base della velocità di rotazione in ingresso veniva calcolata la funzione. I risultati dei calcoli venivano tracciati su carta sotto forma di curve. I componenti più importanti erano gli integratori — ruote che ruotavano su dischi. Gli integratori potevano calcolare l'integrale di una curva senza noiose operazioni manuali.
Analizzatore differenziale. Modulo integrativo — con il coperchio alzato, dai lati della finestra ci sono tavoli con i risultati dei calcoli, mentre al centro si trova un complesso di barre computazionali.
Nessuno dei componenti dell'analizzatore conteneva relè di commutazione discreti o qualche tipo di interruttori digitali. Allora perché parliamo di questo dispositivo? La risposta è fornita da quarto macchina della famiglia.
All'inizio degli anni '30, Bush iniziò a contattare la Fondazione Rockefeller per ottenere finanziamenti per lo sviluppo ulteriore dell'analizzatore. All'inizio non riuscì a convincere Warren Weaver, capo del dipartimento delle scienze naturali della fondazione. L'ingegneria non rientrava nelle sue competenze. Tuttavia, Bush pubblicizzò il potenziale illimitato della sua nuova macchina in relazione alle applicazioni scientifiche — specialmente nella biologia matematica, il progetto preferito di Weaver. Inoltre, Bush promise numerosi miglioramenti per l'analizzatore, tra cui "la possibilità di passare rapidamente l'analizzatore da un problema all'altro, come un centralinista telefonico". Nel 1936, i suoi sforzi furono premiati con una sovvenzione di 85.000 dollari, destinata alla creazione di un nuovo dispositivo che in seguito venne chiamato analizzatore differenziale Rockefeller.
Come calcolatore pratico, questo analizzatore non rappresentò una svolta eccezionale. Bush, che divenne vicepresidente del MIT e decano della facoltà di ingegneria, non poté dedicare molto tempo alla direzione dello sviluppo. Infatti, poco dopo si ritirò, assumendo le funzioni di presidente dell'Istituto Carnegie a Washington. Bush percepiva l'avvicinarsi della guerra e aveva alcune idee scientifiche e produttive che potevano servire alle esigenze delle forze armate. In altre parole, voleva trovarsi più vicino al centro del potere, dove potesse influenzare più efficacemente le decisioni su determinate questioni.
Allo stesso tempo, i problemi tecnici imposti dalla nuova progettazione erano risolti dal personale del laboratorio, e ben presto iniziarono a essere distolti per lavorare su compiti militari. La macchina di Rockefeller fu completata solo nel 1942. I militari la considerarono utile per la produzione in serie delle tabelle balistiche per l'artiglieria. Ma ben presto questo dispositivo fu oscurato da computer puramente digitali — che rappresentavano i numeri non come grandezze fisiche, ma in modo astratto, utilizzando le posizioni degli interruttori. A caso, all'interno stesso dell'analizzatore di Rockefeller vi erano un numero piuttosto elevato di interruttori di questo tipo, costituiti da schemi relè.
Shannon
Nel 1936, Claude Shannon aveva solo 20 anni, ma aveva già conseguito la laurea presso l'Università del Michigan con una doppia specializzazione: ingegneria elettrica e matematica. Al MIT vi era arrivato grazie a un volantino affisso all'albo delle notizie. Vannevar Bush stava cercando un nuovo assistente per lavorare sull'analizzatore differenziale. Shannon presentò la sua candidatura senza esitare e ben presto iniziò a lavorare su nuove problematiche, e solo dopo questo il nuovo dispositivo iniziò a prendere forma.
Shannon non assomigliava affatto 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, i puzzle e le attività ricreative: scacchi, giocoleria, labirinti, crittogrammi. Come molti uomini della sua epoca, durante la guerra Shannon si dedicò a un lavoro serio: occupava una posizione con contratto governativo presso i Bell Labs, che proteggeva il suo corpo fragile dalla chiamata alle armi. Le sue ricerche sulla gestione del fuoco e sulla crittografia in quel periodo portarono, a loro volta, alla nascita di un lavoro fondamentale sulla teoria dell'informazione (non entreremo nei dettagli). Negli anni '50, quando la guerra e le sue conseguenze si placarono, Shannon tornò a insegnare al MIT, dedicando il suo tempo libero alle attività ricreative: una calcolatrice che funzionava esclusivamente con numeri romani; una macchina che, accesa, generava un braccio meccanico che disattivava la macchina.
La struttura della macchina Rockefeller con cui si scontrò Shannon rimase logicamente la stessa di quella dell'analizzatore del 1931, ma era costruita con componenti fisici completamente diversi. Bush capì che i bastoni e le trasmissioni meccaniche nelle vecchie macchine riducevano l'efficienza del loro utilizzo: per eseguire calcoli, era necessario regolare la macchina, il che richiedeva molte ore-uomo di lavoro da parte di meccanici qualificati.
Il nuovo analizzatore era privo di questo difetto. La sua progettazione non aveva un tavolo con bastoni, ma un commutatore di coordinate — un prototipo in più, donato dai Bell Labs. Invece di trasmettere potenza dall'albero centrale, ogni modulo integrato veniva azionato in modo indipendente da un motore elettrico. Per configurare la macchina per risolvere un nuovo compito bastava configurare i relè nella matrice di coordinate per collegare gli integratori nell'ordine desiderato. Il lettore di nastro perforato (preso in prestito da un altro dispositivo di telecomunicazione, una macchina per telemetria) leggeva la configurazione della macchina, mentre il circuito a relè convertiva il segnale dal nastro in segnali di controllo per la matrice — era come stabilire una serie di chiamate telefoniche tra gli integratori.
La nuova macchina non solo era molto più veloce e facile da configurare, ma lavorava anche più rapidamente e con maggiore precisione rispetto al suo predecessore. Poteva affrontare compiti più complessi. Oggi questo computer può sembrare primitivo, persino stravagante, ma allora appariva agli osservatori come una grande — o forse terribile — intelligenza operante:
In sostanza, è un robot matematico. Un automa azionato dall'elettricità, creato non solo per alleggerire il carico di calcoli pesanti e analisi dal cervello umano, ma anche per affrontare problemi matematici non risolvibili mentalmente e risolverli.
Shannon si concentrò sulla conversione dei dati dalla striscia di carta in istruzioni per il "cervello", e per questa operazione rispondeva lo schema a relè. Notò la corrispondenza tra la struttura dello schema e le strutture matematiche dell'algebra booleana che aveva studiato nell'ultimo anno di università nel Michigan. Questa è un'algebra i cui operandi erano VERO e FALSO, e gli operatori — E, O, NON e così via. Algebra corrispondente alle affermazioni logiche.
Dopo aver trascorso l'estate del 1937 a lavorare nei Bell Labs a Manhattan (un luogo ideale per riflettere sugli schemi a relè), Shannon scrisse una tesi di master intitolata "Analisi simbolica di schemi a relè e di commutazione" (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Insieme al lavoro di Alan Turing, realizzato un anno prima, la tesi di Shannon costituì le basi della scienza dei computer.
Negli anni '40 e '50, Shannon costruì diverse macchine di calcolo/logica: una calcolatrice con numerazione romana chiamata THROBAC, una macchina per finali di scacchi, e anche Theseus — un labirinto percorso da un topo elettromeccanico (in foto)
Shannon scoprì che il sistema di equazioni della logica proposizionale poteva essere meccanicamente trasformato in uno schema fisico di relè. Concluse: "Praticamente qualsiasi operazione che può essere descritta in un numero finito di passi utilizzando le parole SE, E, O e così via, può essere eseguita automaticamente tramite relè." Per esempio, due relè a controllo, collegati in serie, formano un'operazione logica. E: la corrente scorrerà attraverso il conduttore principale solo quando entrambi gli elettromagneti sono attivati per chiudere gli interruttori. Allo stesso tempo, due relè collegati in parallelo formano O: la corrente scorre attraverso lo schema principale, attivato da uno degli elettromagneti. Le uscite di tale circuito logico possono, a loro volta, controllare gli elettromagneti di altri relè per ottenere operazioni logiche più complesse come (A E B) o (V E G).
Shannon completò la sua tesi con un’applicazione contenente diversi esempi di circuiti creati con il suo metodo. Poiché le operazioni dell'algebra booleana sono molto simili alle operazioni aritmetiche nel sistema binario (cioè, utilizzando numeri binari), dimostrò come fosse possibile assemblare dai relè un 'sommario elettrico in sistema binario' — lo chiamiamo sommatore binario. Pochi mesi dopo, uno degli scienziati della Bell Labs costruì un tale sommatore sul tavolo della cucina.
Stibitz
George Stibitz, ricercatore del dipartimento matematico della sede della Bell Labs a Manhattan, una sera buia di novembre del 1937 portò a casa un insolito insieme di attrezzature. Celle secche, due piccole lampadine per le schede hardware e un paio di relè piatti Type U trovati in un cassonetto. Aggiungendo alcuni fili e un po’ di roba, assemblò un dispositivo in grado di sommare due numeri binari a una cifra (rappresentati dalla presenza o dall'assenza di tensione di ingresso) e di emettere un numero a due cifre con le lampadine: uno — acceso, zero — spento.
Sommatore binario di Stibitz
Stibitz, fisico di formazione, fu invitato a valutare le proprietà fisiche dei magneti relè. Non avendo mai avuto esperienza con i relè, iniziò a studiarne l'uso nei circuiti telefonici della Bell. Presto George notò somiglianze tra alcuni circuiti e le operazioni aritmetiche con i numeri binari. Incuriosito, assemblò sul tavolo della cucina il suo progetto parallelo.
Inizialmente, il passatempo di Stibitz con i relè non suscitò molto interesse da parte della direzione della Bell Labs. Ma nel 1938, il capo del gruppo di ricerca chiese a George se i suoi calcolatori potessero essere utilizzati per operazioni aritmetiche con numeri complessi (ad esempio, a + bi, dove i — radice quadrata di un numero negativo). Si scoprì che diversi reparti di calcolo della Bell Labs gemettero già per il fatto che dovevano costantemente moltiplicare e dividere tali numeri. Moltiplicare un numero complesso richiedeva quattro operazioni aritmetiche su una calcolatrice da tavolo, mentre la divisione richiedeva 16 operazioni. Schtibitz disse che poteva risolvere il problema e sviluppò uno schema di macchina per tali calcoli.
La costruzione finale, realizzata in metallo dall’ingegnere telefonico Samuel Williams, fu chiamata Complex Number Computer — o Complex Computer per brevità — e venne messa in funzione nel 1940. Per i calcoli venivano utilizzati 450 relè, i risultati intermedi venivano salvati in dieci interruttori di coordinate. I dati venivano inseriti e ricevuti mediante un teletipo a nastro. Nei dipartimenti della Bell Labs furono installati tre di questi teletipi, il che indica una grande necessità di potenza di calcolo. Relè, matrice, teletipi — sotto ogni aspetto era un prodotto del sistema Bell.
Il momento di gloria del Complex Computer arrivò l’11 settembre 1940. Schtibitz presentò un rapporto sul computer durante una riunione della Società Matematica Americana al Dartmouth College. Accordo che lì sarebbe stato installato un teletipo con collegamento telegrafico al Complex Computer a Manhattan, a 400 chilometri di distanza. Chiunque potesse avvicinarsi al teletipo, inserire sulla tastiera le condizioni del problema e vedere, meno di un minuto dopo, come il teletipo stampava magicamente il risultato. Tra coloro che sperimentarono la novità c'erano John Mauchly e John von Neumann, ciascuno dei quali avrebbe svolto un ruolo importante nel prosieguo della nostra storia.
I partecipanti alla riunione intravidero un breve scorcio del futuro mondo. In seguito, i computer divennero così costosi che gli amministratori non potevano più permettersi di lasciarli inattivi, mentre l'utente si grattava il mento davanti al pannello di controllo, riflettendo su cosa digitare dopo. Nei successivi 20 anni, gli scienziati iniziarono a pensare a come creare computer di uso generale, che fossero sempre disponibili ad attendere che si inserissero dati, anche mentre lavoravano su qualcos'altro. E poi ci sarebbero voluti altri 20 anni prima che questo modo interattivo di calcolo diventasse la norma.
Shtebits all'interfaccia interattiva di Dartmouth negli anni '60. Il Dartmouth College è stato un pioniere nel campo dei calcoli interattivi. Shtebits divenne professore del college nel 1964.
È sorprendente che, nonostante i compiti che svolgeva, Complex Computer non sia affatto un computer secondo gli standard moderni. Poteva eseguire operazioni aritmetiche con numeri complessi e probabilmente risolvere altre questioni simili, ma non compiti generali. Non era programmabile. Non poteva eseguire operazioni in ordine arbitrario o ripetutamente. Era una calcolatrice capace di eseguire determinati calcoli molto meglio dei suoi predecessori.
Con l'inizio della Seconda Guerra Mondiale, alla Bell, sotto la guida di Shtebits, è stata creata una serie di computer con i nomi Model II, Model III e Model IV (Complex Computer, rispettivamente, ricevette il nome di Model I). La maggior parte di essi fu costruita su richiesta del National Defense Research Committee, guidato da Vannevar Bush. Shtebits migliorò lo schema delle macchine in termini di maggiore versatilità delle funzioni e programmabilità.
Ad esempio, il Ballistic Calculator (in seguito, Model III) è stato sviluppato per le esigenze dei sistemi di controllo del fuoco contraereo. È stato messo in servizio nel 1944 a Fort Bliss, Texas. Il dispositivo conteneva 1400 relè e poteva eseguire un programma di operazioni matematiche definito da una sequenza di istruzioni su un nastro di carta perforato. I dati di input venivano forniti separatamente su un nastro e i dati tabellari su un altro. Questo permetteva di trovare rapidamente i valori, ad esempio, delle funzioni trigonometriche senza veri calcoli. Gli ingegneri della Bell svilupparono circuiti di ricerca speciali (hunting circuits), che scansionavano il nastro avanti/indietro e cercavano l'indirizzo del valore tabellare desiderato indipendentemente dai calcoli. Shtebits stabilì che il suo computer Model III, che cliccava relè giorno e notte, sostituiva da 25 a 40 calcolatrici.
Rettangoli con relè Bell Model III
La macchina Model V non ha avuto il tempo di prestare servizio militare. È diventata ancora più versatile e potente. Se valutata in termini di calcolatori sostituiti, superava di circa dieci volte la Model III. Diversi moduli di calcolo con 9.000 relè potevano ricevere dati da più stazioni, dove gli utenti inserivano le condizioni di vari problemi. Ogni stazione aveva un lettore di nastro per l'immissione dei dati e cinque per le istruzioni. Questo permetteva, durante il calcolo del problema principale, di richiamare diverse sottoprogrammi. Il modulo di controllo principale (essenzialmente, l'equivalente di un sistema operativo) distribuiva le istruzioni ai moduli di calcolo in base alla loro disponibilità, e i programmi potevano eseguire salti condizionali. Non era più solo una calcolatrice.
Anno delle meraviglie: 1937
Il 1937 può essere considerato un anno cruciale nella storia delle macchine calcolatrici. In quell'anno, Shannon e Stibitz notarono somiglianze tra i circuiti a relè e le funzioni matematiche. Queste scoperte portarono i Bell Labs a creare una serie di importanti macchine digitali. Era in un certo senso — o addirittura un sostituto — quando un umile relè telefonico, senza cambiare forma fisica, divenne l'incarnazione della matematica astratta e della logica.
Nello stesso anno, nel numero di gennaio della rivista Proceedings of the London Mathematical Society apparve un articolo del matematico britannico Alan Turing "Sui numeri calcolabili con riferimento alla " (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). In esso si descriveva una macchina di calcolo universale: l'autore sosteneva che essa potesse eseguire azioni logicamente equivalenti a quelle degli esseri umani-calcolatori. Turing, che l'anno precedente era entrato nel programma di dottorato presso l'Università di Princeton, era anche affascinato dai circuiti a relè. E, come Bush, preoccupato per la crescente minaccia di guerra con la Germania. Per questo motivo, si dedicò a un progetto crittografico secondario: un moltiplicatore binario che poteva essere utilizzato per crittografare i messaggi militari. Turing lo costruì con relè assemblati nell'officina meccanica dell'università.
Nello stesso 1937, Howard Aiken rifletteva su una presunta macchina di calcolo automatica. Il dottorando in ingegneria elettrica ad Harvard eseguiva gran parte dei calcoli utilizzando solo una calcolatrice meccanica e libri di testo con tabelle matematiche. Propose una struttura che avrebbe eliminato questa routine. A differenza delle apparecchiature di calcolo esistenti, doveva elaborare automaticamente e ciclicamente i processi, utilizzando i risultati dei calcoli precedenti come dati di input per quelli successivi.
Nel frattempo, presso la Nippon Electric Company, l'ingegnere delle telecomunicazioni Akira Nakashima studiava dal 1935 le connessioni tra circuiti relè e matematica. Infine, nel 1938, dimostrò autonomamente l'equivalenza dei circuiti relè all'algebra booleana, che Shannon aveva scoperto l'anno precedente.
A Berlino, Konrad Zuse, un ex ingegnere aeronautico stanco dei calcoli infiniti richiesti dal lavoro, cercava fondi per creare la sua seconda macchina di calcolo. Non riuscì a far funzionare in modo affidabile il suo primo dispositivo meccanico — V1 — quindi voleva creare un computer relè, che sviluppò in collaborazione con il suo amico, l'ingegnere delle telecomunicazioni Helmut Schreyer.
L'universalità dei relè telefonici, le considerazioni sulla logica matematica, il desiderio di menti brillanti di liberarsi dal lavoro noioso — tutto ciò si intrecciò e portò alla nascita dell'idea di una nuova tipo di macchina logica.
Una generazione dimenticata
I frutti delle scoperte e delle innovazioni del 1937 dovettero maturare per diversi anni. La guerra si dimostrò il fertilizzante più potente, e con il suo arrivo i computer relè iniziarono a sorgere ovunque ci fosse necessaria esperienza tecnica. La logica matematica divenne la griglia per le viti dell'ingegneria elettrica. Sorsero nuove forme di macchine di calcolo programmabili — il primo abbozzo dei moderni computer.
In aggiunta alle macchine di Shteybitsa, nel 1944 gli Stati Uniti potevano vantare il dispositivo Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), risultato della proposta di Aiken. Il doppio nome è emerso a causa del deterioramento dei rapporti tra il mondo accademico e l'industria: tutti reclamavano diritti sul dispositivo. Il Mark I / ASCC usava circuiti relè di controllo, ma il modulo aritmetico principale era costruito secondo l'architettura delle calcolatrici meccaniche IBM. La macchina è stata creata per le esigenze dell'ufficio di costruzione navale degli Stati Uniti. La sua erede, il Mark II, iniziò a funzionare nel 1948 presso il poligono di prova della marina, e tutte le sue operazioni erano basate esclusivamente su relè — su 13.000 relè.
Durante la guerra, Zuse costruì diversi computer relè, sempre più complessi. Il culmine fu il V4, che, come il Bell Model V, includeva installazioni per chiamare sottoprogrammi ed eseguiva salti condizionali. A causa della scarsità di materiali in Giappone, nessuno dei progetti di Nakamura e dei suoi compatrioti fu realizzato in metallo, fino a quando il paese non si riprese dalla guerra. Negli anni '50, il ministero del commercio estero e dell'industria ricostituito finanziò la creazione di due macchine relè, la seconda delle quali era un mostro con 20.000 relè. La Fujitsu, coinvolta nella creazione, sviluppò i propri prodotti commerciali.
Oggi queste macchine sono quasi completamente dimenticate. Nella memoria è rimasto solo un nome — ENIAC. La ragione dell'oblio non riguarda la loro complessità, le loro capacità o la loro velocità. Le proprietà computazionali e logiche dei relè, rivelate da scienziati e ricercatori, si applicano a qualsiasi dispositivo che può funzionare come interruttore. E così è successo che fosse disponibile un altro dispositivo simile — interruttore elettronico, che poteva attivarsi centinaia di volte più velocemente del relè.
L'importanza della Seconda guerra mondiale nella storia della vita delle macchine computazionali dovrebbe ormai essere ovvia. La guerra più terribile ha dato impulso allo sviluppo delle macchine elettroniche. Il suo inizio ha liberato risorse necessarie per superare i difetti evidenti degli switch elettronici. Il dominio dei computer elettromeccanici si è rivelato di breve durata. Come i titani, sono stati abbattuti dai loro stessi figli. Analogamente ai relè, la commutazione elettronica è emersa grazie alle esigenze dell'industria delle telecomunicazioni. E per scoprire da dove provenga, dobbiamo ripercorrere la nostra storia al momento all'alba dell'era della radio.
Fonte: habr.com
