Nel nostro si è parlato dell'apice dei centralini telefonici automatici, gestiti tramite circuiti a relè. Questa volta vogliamo raccontare come scienziati e ingegneri hanno sviluppato circuiti a relè nella prima — ormai dimenticata — generazione di computer digitali.
Relè all'apice
Se ricordate, il funzionamento del relè si basa su un principio semplice: un elettromagnete aziona un interruttore metallico. L'idea del relè è stata proposta negli anni 1830 in modo indipendente da diversi scienziati e imprenditori nel settore del telegrafo. Poi, a metà del XIX secolo, inventori e meccanici hanno trasformato il relè in un componente affidabile e indispensabile nelle reti telegrafiche. È in questo campo che la vita del relè ha raggiunto il suo apice: è stato miniaturizzato e una generazione di ingegneri ha creato un numero immenso di design, formalmente studiando matematica e fisica.
All'inizio del XX secolo, non solo i sistemi di commutazione automatica, ma quasi tutte le attrezzature delle reti telefoniche contenevano vari tipi di relè. Uno dei primi utilizzi nella telefonia risale agli anni 1870, nei centralini manuali. Quando l'abbonato girava la manopola del telefono (manopola magneto), un segnale veniva inviato alla centrale telefonica per attivare il blinker. Il blinker è un relè che, attivandosi, faceva cadere una serranda metallica sulla tavola di commutazione dell'operatore telefonico, segnalando l'arrivo di una chiamata in ingresso. Allora l'operatrice inseriva il jack nella presa, il relè si disattivava e si poteva alzare di nuovo la serranda, che in quel momento era tenuta su da un elettromagnete.
Nel 1924, come scrivevano due ingegneri della Bell, una tipica centrale telefonica manuale serviva circa 10.000 abbonati. La sua attrezzatura conteneva da 40.000 a 65.000 relè, la cui forza magnetica totale era "sufficiente per sollevare 10 tonnellate". Nelle grandi centrali telefoniche con interruttori automatici, queste caratteristiche raddoppiavano. Nell'intero sistema telefonico degli Stati Uniti venivano utilizzati milioni di relè, e il loro numero aumentava costantemente man mano che le centrali telefoniche venivano automatizzate. Una singola connessione telefonica poteva essere gestita da alcune unità fino a diverse centinaia di relè, a seconda del numero e dell'equipaggiamento delle centrali coinvolte.
Le fabbriche della Western Electric, parte della struttura industriale della Bell Corporation, producevano una vasta gamma di relè. Gli ingegneri hanno creato così tante varianti che anche gli allevatori più esperti di cani o piccioni sarebbero stati invidiosi di questa varietà. La velocità e la sensibilità dei relè sono state ottimizzate, e le dimensioni ridotte. Nel 1921, la Western Electric ha prodotto quasi 5 milioni di relè di 100 tipi principali. Il modello più comune era il relè universale Type E, un dispositivo piatto e praticamente rettangolare, che pesava alcune decine di grammi. Era per lo più realizzato con parti metalliche stampate, quindi era tecnologico nella produzione. Il corpo proteggeva i contatti dalla polvere e dalle correnti indotte da dispositivi vicini: generalmente, i relè erano montati uno vicino all'altro, in rack con centinaia e migliaia di relè. Sono stati sviluppati un totale di 3.000 varianti del Type E, ognuna delle quali differiva per configurazioni di avvolgimento e contatti.
Presto, questi relè iniziarono a essere utilizzati nei commutatori più complessi.
Commutatore di coordinate
Nel 1910, Gotthilf Betulander, ingegnere del Royal Telegrafverket — l'ente statale che controllava gran parte del mercato telefonico svedese (per decenni quasi tutto) — ebbe un'idea. Credeva di poter migliorare significativamente l'efficienza delle operazioni del Telegrafverket costruendo sistemi di commutazione automatica completamente basati su relè. Più precisamente, su matrici di relè: griglie di barre di acciaio collegate alle linee telefoniche, con relè nei punti di intersezione delle barre. Tale commutatore avrebbe dovuto funzionare più velocemente, essere più affidabile e più semplice da manutenere rispetto ai sistemi basati su contatti scorrevoli o rotanti.
Inoltre, Betulander concepì che fosse possibile separare le parti del sistema responsabili della selezione e connessione in circuiti relè indipendenti. La parte rimanente del sistema doveva essere utilizzata solo per stabilire il canale vocale e poi liberata per gestire un'altra chiamata. Cioè, Betulander arrivò all'idea che in seguito fu chiamata "controllo comune" (common control).
Il schema che memorizza il numero della chiamata in ingresso è stato chiamato "registratore" (un altro termine è "registro"). E il schema che trova nella griglia e "contrassegna" la connessione disponibile è stato chiamato "marcatore". L'autore ha brevettato il suo sistema. Diverse di queste stazioni sono apparse a Stoccolma e Londra. Nel 1918, Betulander venne a conoscenza di una novità americana: un centrale telefonico a coordinate, creato dall'ingegnere Bell John Reynolds cinque anni prima. Questo dispositivo assomigliava molto alla creazione di Betulander, ma utilizzava n + m relè per la gestione n + m dei nodi della matrice, che era molto più conveniente per un ulteriore ampliamento delle centraline. Durante l'instaurazione della connessione, la barra di ritenzione premendo i "dita" delle corde di un pianoforte, mentre la barra di selezione si muoveva sulla matrice per collegarsi a un'altra chiamata. L'anno successivo, Betulander ha implementato questa idea nel design del suo commutatore.
Ma la maggior parte degli ingegneri considerava la creazione di Betulander strana e troppo complessa. Quando arrivò il momento di scegliere un sistema di commutazione per l'automazione delle reti delle più grandi città svedesi, Telegrafverket preferì la progettazione sviluppata dall'azienda Ericsson. I commutatori di Betulander furono utilizzati solo in piccole centrali telefoniche nelle zone rurali: i relè erano più affidabili della meccanica 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 esperti dei Bell Labs vennero in Svezia e rimasero "molto colpiti dalle caratteristiche del modulo di commutazione a coordinate". Tornati negli Stati Uniti, gli americani iniziarono immediatamente a lavorare su ciò che poi è diventato noto come "sistema di coordinate n. 1", che sostituì i commutatori a pannello nelle grandi città. Entro il 1938, due di questi sistemi erano stati installati a New York. Presto divennero attrezzature standard per le centrali telefoniche urbane, finché, oltre 30 anni dopo, non furono sostituiti da commutatori elettronici.
Il componente più interessante del commutatore di coordinate n. 1 è stato un nuovo e più complesso marcatore, sviluppato in Bell. Era progettato per trovare un percorso libero dal chiamante al chiamato attraverso diversi moduli di coordinate connessi tra loro, creando così una connessione telefonica. Inoltre, il marcatore doveva testare ogni connessione sullo stato 'libero'/'occupato'. Ciò richiedeva l'applicazione della logica condizionale. Come ha scritto lo storico Robert Chapuis:
La selezione è condizionata, poiché una connessione libera è mantenuta solo se fornisce accesso alla rotaia delle coordinate, che ha come uscita una connessione libera al livello successivo. Se più set di connessioni soddisfano le condizioni richieste, la 'logica preferenziale' sceglie una delle [esistenti] connessioni meno numerose...
L'interruttore a coordinate è un ottimo esempio di arricchimento reciproco delle idee tecnologiche. Betulander ha creato il suo interruttore completamente relè, poi lo ha migliorato con la matrice di commutazione di Reynolds e ha dimostrato la funzionalità della costruzione risultante. In seguito, gli ingegneri di AT&T hanno rielaborato questo interruttore ibrido, migliorandolo e creando il sistema di coordinate n. 1. Questo sistema è diventato poi un componente di due delle prime macchine di calcolo, una delle quali è oggi nota come pietra miliare nella storia dell'informatica.
Calcoli matematici (Mathematical labor)
Per comprendere come e perché i relè e le loro controparti elettroniche abbiano contribuito a rivoluzionare l'informatica, è necessario un breve excursus nel mondo dei calcoli matematici. Solo dopo sarà chiaro perché sia emersa una domanda latente per l'ottimizzazione dei processi di calcolo.
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. Queste persone erano chiamate computer (computers) [Per evitare confusione, d'ora in avanti sarà utilizzato il termine calcolatori. — Nota dell'editore]. Già negli anni 1820, Charles Babbage creò (anche se il suo dispositivo aveva predecessori concettuali). Il suo obiettivo principale era l'automazione della costruzione di tabelle matematiche, ad esempio per la navigazione (il calcolo delle funzioni trigonometriche mediante approssimazioni polinomiali a 0 gradi, 0,01 gradi, 0,02 gradi, ecc.). Inoltre, vi era una grande richiesta di calcoli matematici in astronomia: era necessario elaborare i risultati grezzi delle osservazioni telescopiche in aree fisse della sfera celeste (indipendentemente dal tempo e dalla data delle osservazioni) o determinare le orbite di nuovi oggetti (come la cometa di Halley).
Sin dai tempi di Babbage, la necessità di macchine computazionali è aumentata notevolmente. Le aziende di energia elettrica dovevano comprendere il comportamento dei sistemi di trasmissione dell'energia, caratterizzati da 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 richiedevano più puntamento), necessitavano di tabelle balistiche sempre più precise. Nuovi strumenti statistici, che implicavano grandi volumi di calcoli matematici (ad esempio, il metodo dei minimi quadrati), venivano utilizzati sempre più sia nella scienza che nell'amministrazione statale in espansione. Nei università, nelle istituzioni governative e nelle corporazioni industriali si creavano reparti di calcolo, nei quali venivano solitamente assunte donne.
I calcolatori meccanici hanno semplificato i calcoli, ma non li hanno risolti. I calcolatori hanno velocizzato le operazioni aritmetiche, ma qualsiasi problema scientifico o ingegneristico complesso richiedeva centinaia o migliaia di operazioni, ognuna delle quali doveva essere eseguita manualmente da un calcolatore (umano), registrando con attenzione tutti i risultati intermedi.
L'emergere di nuovi approcci al problema dei calcoli matematici è stato facilitato da diversi fattori. Giovani scienziati e ingegneri, che passavano notti a calcolare le loro domande, volevano dare un po' di riposo alle loro mani e ai loro occhi. I responsabili dei progetti erano costretti a sborsare sempre di più per le retribuzioni dei numerosi calcolatori, specialmente dopo la Prima guerra mondiale. Infine, molte sfide scientifiche e ingegneristiche avanzate erano estremamente difficili da calcolare a mano. Tutti questi fattori hanno portato alla creazione di una serie di macchine calcolatrici, sviluppate sotto la direzione di Vannevar Bush, un ingegnere elettrico del Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Analizzatore differenziale
Fino a questo momento, la storia è stata spesso disumanizzata, ma ora parleremo di persone specifiche. La gloria ha eluso i creatori dello switch panel, del relè di tipo E e dello schema del marker delle coordinate. Non ci sono nemmeno aneddoti biografici su di loro. Le uniche prove pubbliche della loro vita sono i resti fossili delle macchine che hanno creato.
Ora possiamo avere una comprensione più profonda delle persone e del loro passato. Ma non incontreremo più coloro che hanno lavorato duramente nelle soffitte e nei laboratori delle loro case — Morse e Veil, 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 era diventato proprietario di una "fabbrica di invenzioni". A quel punto, lo sviluppo delle tecnologie più significative era diventato dominio delle organizzazioni — università, divisioni di ricerca aziendale, laboratori governativi. Le persone di cui parleremo in questa sezione appartenevano proprio a tali organizzazioni.
Ad esempio, Vannevar Bush. Arrivò al MIT nel 1919, quando aveva 29 anni. Poco più di 20 anni dopo, divenne una delle persone che influenzarono il coinvolgimento degli Stati Uniti nella Seconda guerra mondiale, aiutando ad aumentare il finanziamento statale, il che cambiò per sempre le relazioni tra governo, ambiente accademico e sviluppo della scienza e della tecnologia. Ma nell'ambito di questo articolo ci interessa una serie di macchine sviluppate nel laboratorio di Bush a metà degli anni '20, progettate per affrontare il problema dei calcoli matematici.
MIT, recentemente trasferitosi dal centro di Boston sulla riva del fiume Charles a Cambridge, era strettamente legato alle esigenze dell'industria. Oltre alla sua attività di professore, Bush aveva interessi finanziari in diverse aziende nel settore dell'elettronica. Quindi, non dovreste sorprendervi che il problema che ha portato Bush e i suoi studenti a lavorare su un nuovo dispositivo di calcolo sia emerso nell'industria energetica: era necessario modellare il comportamento delle linee elettriche ad alta tensione in condizioni di carico massimo. È chiaro che questo era solo uno dei tanti possibili usi delle macchine calcolatrici: calcoli matematici faticosi venivano effettuati ovunque.
Bush e i suoi colleghi hanno inizialmente costruito due macchine, chiamate integrafi produttivi (product integraphs). Ma la macchina più famosa e di maggior successo del MIT è stata un'altra — analizzatore differenziale, completato nel 1931. Risolveva problemi di trasmissione dell'energia elettrica, calcolava le orbite degli elettroni, le traiettorie delle radiazioni cosmiche nel campo magnetico terrestre e molto altro. Negli anni '30, ricercatori di tutto il mondo, che necessitavano di potenza computazionale, crearono dozzine di copie e varianti dell'analizzatore differenziale. Alcuni — addirittura realizzati con Meccano (un equivalente inglese dei kit di costruzione per bambini americani) ).
L'analizzatore differenziale è un computer analogico. Le funzioni matematiche venivano calcolate tramite aste metalliche rotanti, la cui velocità di rotazione rifletteva un valore quantitativo. Un motore azionava un'asta indipendente - la variabile (di solito rappresentava il tempo), che, a sua volta, tramite connessioni meccaniche, faceva ruotare altre aste (diverse variabili differenziali), e sulla base della velocità di ingresso di rotazione si calcolava la funzione. I risultati 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 integrale - con il coperchio sollevato, dal lato della finestra ci sono tavoli con i risultati dei calcoli, e al centro un insieme di aste di calcolo.
Nessuno dei componenti dell'analizzatore conteneva relè di commutazione discreti o interruttori digitali. Perché parliamo di questo dispositivo? La risposta è data da quarto macchina della famiglia.
All'inizio degli anni '30, Bush iniziò a contattare il Fondo Rockefeller per ottenere finanziamenti per lo sviluppo ulteriore dell'analizzatore. Non riuscì inizialmente a convincere Warren Weaver, il capo del dipartimento delle scienze naturali del fondo, poiché l'ingegneria non rientrava nelle sue competenze. Tuttavia, Bush pubblicizzò il potenziale illimitato della sua nuova macchina per applicazioni scientifiche, in particolare nella biologia matematica, il progetto preferito di Weaver. Bush promise anche numerosi miglioramenti per l'analizzatore, tra cui la "possibilità di passare rapidamente da un problema all'altro, proprio come un centralino telefonico". Nel 1936, i suoi sforzi furono ripagati con un finanziamento di 85.000 dollari per la creazione di un nuovo dispositivo, che in seguito sarebbe stato chiamato analizzatore differenziale Rockefeller.
Come calcolatore pratico, questo analizzatore non ha rappresentato un progresso significativo. Bush, che divenne vice-presidente del MIT e decano della facoltà di ingegneria, non poteva dedicare molto tempo alla guida dello sviluppo. Infatti, presto si allontanò, occupandosi delle responsabilità di presidente dell'Istituto Carnegie a Washington. Bush avvertiva l'avvicinarsi della guerra e aveva alcune idee scientifiche e industriali che potevano soddisfare le esigenze delle forze armate. Cioè, voleva trovarsi più vicino al centro del potere, dove potesse influenzare in modo più efficace le decisioni su questioni specifiche.
Allo stesso tempo, i problemi tecnici imposti dalla nuova progettazione erano affrontati dai membri del laboratorio, che presto venivano distolti per lavorare su compiti militari. La macchina Rockefeller fu completata solo nel 1942. I militari la trovarono utile per la produzione continua di tabelle balistiche per l'artiglieria. Ma ben presto questo dispositivo fu oscurato da completamente digitale i computer rappresentavano i numeri non come grandezze fisiche, ma in modo astratto, attraverso le posizioni degli interruttori. È curioso notare che nello stesso analizzatore di Rockefeller venivano utilizzati molti di questi interruttori, costituiti da circuiti relè.
Shannon
Nel 1936, Claude Shannon aveva solo 20 anni, ma aveva già completato gli studi all'Università del Michigan con una laurea in due discipline: ingegneria elettrica e matematica. Al MIT, lo portò un volantino affisso alla bacheca. Vannevar Bush cercava un nuovo assistente per lavorare sull'analizzatore differenziale. Shannon non esitò a candidarsi e ben presto iniziò a lavorare su nuove sfide, e solo dopo questo il nuovo dispositivo cominciò a prendere forma.
Shannon non assomigliava per nulla a Bush. Non era né un uomo d'affari, né un costruttore di un impero accademico, né un amministratore. Per tutta la vita amò i giochi, gli enigmi e l'intrattenimento: scacchi, giocoleria, labirinti, crittogrammi. Come molti uomini della sua epoca, durante la guerra, Shannon si dedicò a un compito serio: ricoprendo una posizione di contratto governativo alla Bell Labs, il che lo proteggeva dalla chiamata militare. Le sue ricerche sulla gestione del fuoco e sulla crittografia in quel periodo portarono, a loro volta, alla pubblicazione di un'opera fondamentale sulla teoria dell'informazione (non ne parleremo). Negli anni '50, quando la guerra e le sue conseguenze si attenuarono, Shannon tornò a insegnare al MIT, dedicando il suo tempo libero a intrattenimenti: una calcolatrice funzionante esclusivamente con numeri romani; una macchina che, accesa, faceva emergere un braccio meccanico che spegneva la macchina.
La struttura della macchina Rockefeller, con cui si è scontrato Shannon, rimase logicamente la stessa di quella del analisatore del 1931, ma era costruita con componenti fisici completamente diversi. Bush realizzò che i bastoni e le trasmissioni meccaniche nelle vecchie macchine riducevano l'efficienza del loro utilizzo: per eseguire i calcoli, era necessario configurare la macchina, il che richiedeva molte ore di lavoro da parte di meccanici qualificati.
Il nuovo analizzatore ha superato questo difetto. Alla base della sua progettazione non c'era un tavolo con barre, ma uno switch a coordinate — un prototipo superfluo, donato da Bell Labs. Invece di trasferire 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, era sufficiente riconfigurare i relè nella matrice delle coordinate per collegare gli integratori nell'ordine desiderato. Il lettore della perforatrice (prelevato da un'altra apparecchiatura di telecomunicazione, una telegrafata a nastro) leggeva la configurazione della macchina, mentre il circuito a relè convertiva il segnale del nastro in segnali di controllo per la matrice — questa operazione assomigliava all'instaurazione di una serie di chiamate telefoniche tra gli integratori.
La nuova macchina non solo era molto più veloce e facile da configurare, ma operava anche con maggiore rapidità e precisione rispetto al suo predecessore. Era in grado di risolvere compiti più complessi. Oggi questo computer potrebbe sembrare primitivo, persino stravagante, ma all'epoca appariva agli osservatori come una sorta di grande — o forse terribile — intelligenza operante:
Fondamentalmente, si tratta di un robot matematico. Un automa azionato elettricamente, progettato non solo per sollevare il cervello umano dal peso di calcoli pesanti e analisi, ma anche per affrontare problemi matematici che sfuggono alla soluzione intellettuale e risolverli.
Shannon si concentrò sulla conversione dei dati da nastri di carta in istruzioni per il 'cervello', e a questa operazione era dedicato il circuito relè. Notò la corrispondenza tra la struttura del circuito e le strutture matematiche dell'algebra booleana che studiava nell'ultimo anno a Michigan. È un'algebra i cui operandi erano VERO e FALSO, mentre gli operatori erano E, O, NON ecc. Algebra corrispondente a enunciati logici.
Dopo aver trascorso l'estate del 1937 a lavorare per Bell Labs a Manhattan (un luogo ideale per riflettere sulle schede relè), Shannon scrisse la sua tesi di laurea intitolata «Analisi simbolica di circuiti 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 ha posto le basi per la scienza dei computer.
Negli anni 1940-1950, Shannon costruì diverse macchine computazionali/logiche: una calcolatrice con numeri romani, la macchina per gli endgame degli scacchi e Theseus — un labirinto in cui viaggiava un topo elettromeccanico (nella foto).
Shannon scoprì che un sistema di equazioni della logica proposizionale può essere direttamente trasformato meccanicamente in uno schema fisico di interruttori relè. Concluse: «Qualsiasi operazione che può essere descritta con un numero finito di passi usando parole SE, E, O e così via, può essere eseguita automaticamente mediante relè». Ad esempio, due relè controllati, collegati in serie, formano la logica. E: la corrente scorrerà attraverso il conduttore principale solo quando entrambi gli elettromagneti sono attivi per chiudere gli interruttori. Allo stesso tempo, due relè collegati in parallelo formano OPPURE: la corrente scorre attraverso il circuito principale, attivata da uno degli elettromagneti. Le uscite di questo schema 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 schemi creati secondo il suo metodo. Poiché le operazioni dell'algebra booleana sono molto simili alle operazioni aritmetiche nel sistema binario (cioè usando numeri binari), mostrò come fosse possibile costruire con relè un 'sommatori elettrico nel sistema binario' — noi lo chiamiamo sommatore binario. Qualche mese dopo, uno degli scienziati dei Bell Labs realizzò un tale sommatore sul tavolo della cucina.
Stibitz
George Stibitz, un ricercatore del dipartimento matematico della sede centrale della Bell Labs a Manhattan, una sera buia di novembre del 1937 portò a casa un curioso insieme di attrezzature. Batterie secche, due piccole lampadine per pannelli e un paio di relè piatti di tipo U, trovati in un cestino. Aggiungendo alcuni fili e un po' di materiale di risulta, assemblò un dispositivo in grado di sommare due numeri binari a un solo bit (rappresentati dalla presenza o dall'assenza della tensione di ingresso) e di emettere un numero binario a due bit tramite le lampadine: uno — acceso, zero — spento.
Sommatore binario di Stibitz
Stibitz, laureato in fisica, fu incaricato di valutare le proprietà fisiche dei magneti dei relè. In precedenza non aveva mai avuto esperienza con i relè, quindi iniziò studiando il loro utilizzo nei circuiti telefonici della Bell. Presto George notò somiglianze tra alcuni circuiti e le operazioni aritmetiche con i numeri binari. Incuriosito, assemblò il suo progetto secondario sul tavolo della cucina.
Inizialmente, le giocate di Shtebita con i relè suscitarono poco interesse ai vertici 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 complesse (ad esempio, a + bi, dove i — la radice quadrata di un numero negativo). Si scoprì che diversi reparti di calcolo della Bell Labs stavano già lamentandosi di dover continuamente moltiplicare e dividere tali numeri. Moltiplicare un numero complesso richiedeva quattro operazioni aritmetiche su una calcolatrice da scrivania, mentre la divisione ne richiedeva 16. Shtebita affermò di poter risolvere il problema e progettò uno schema per una macchina in grado di eseguire tali calcoli.
La struttura finale, realizzata in metallo dall'ingegnere telefonico Samuel Williams, è stata chiamata Complex Number Computer — o Complex Computer per brevità — ed è entrata in funzione nel 1940. Per i calcoli venivano utilizzati 450 relè, e i risultati intermedi venivano memorizzati in dieci switch di coordinate. I dati erano inseriti e ricevuti tramite un teletipo a nastro. Nei reparti di Bell Labs sono stati installati tre di questi teletipi, il che dimostra le elevate esigenze di capacità di calcolo. Relè, matrice, teletipi — in ogni aspetto, era un prodotto del sistema Bell.
L'ora stellare del Complex Computer è scoccata l'11 settembre 1940. Schtibitz presentò un rapporto sul computer durante un incontro della American Mathematical Society al Dartmouth College. Decise che lì sarebbe stato installato un teletipo con connessione telegrafica al Complex Computer a Manhattan, a 400 chilometri di distanza. Chiunque fosse interessato poteva avvicinarsi al teletipo, inserire sulla tastiera le condizioni del problema e vedere come, in meno di un minuto, il teletipo stampasse magicamente il risultato. Tra coloro che provarono la novità c'erano John Mauchly e John von Neumann, entrambi destinati a giocare un ruolo importante nel proseguimento della nostra storia.
I partecipanti alla riunione hanno intravisto una breve visione del futuro. Successivamente, i computer diventarono 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 successivamente. Nei 20 anni successivi, gli scienziati avrebbero iniziato a pensare a come creare computer generali che fossero sempre pronti a ricevere dati, anche mentre lavoravano su qualcos'altro. E ci sarebbero voluti altri 20 anni prima che questa modalità di calcolo interattivo diventasse la norma.
Stibitz al terminale interattivo di Dartmouth negli anni '60. Il Dartmouth College è stato pioniere nel campo del calcolo interattivo. Stibitz divenne professore del college nel 1964.
È sorprendente che, nonostante i compiti che affrontava, il Complex Computer non fosse affatto un computer secondo i parametri moderni. Poteva eseguire operazioni aritmetiche con numeri complessi e probabilmente risolvere altri compiti simili, ma non problemi di scopo generale. Non era programmabile. Non poteva eseguire operazioni in ordine casuale o ripetutamente. Era una calcolatrice in grado di eseguire calcoli specifici molto meglio dei suoi predecessori.
Con l'inizio della Seconda guerra mondiale, sotto la direzione di Stibitz, la Bell creò una serie di computer chiamati Model II, Model III e Model IV (il Complex Computer ricevette il nome di Model I). La maggior parte di essi fu costruita per richiesta del Comitato Nazionale di Ricerca per la Difesa, guidato da niente meno che Vannevar Bush. Stibitz migliorò lo schema delle macchine rendendole più versatili e programmabili.
Ad esempio, il Ballistic Calculator (in seguito noto come Model III) è stato sviluppato per le esigenze dei sistemi di controllo del tiro aereo. Fu messo in servizio nel 1944 a Fort Bliss, Texas. Il dispositivo conteneva 1400 relè e poteva eseguire un programma di operazioni matematiche determinato da una sequenza di istruzioni su un nastro di carta forato. I dati di input erano forniti su un nastro separato, mentre i dati tabulari erano su un altro. Questo permetteva di trovare rapidamente valori, ad esempio delle funzioni trigonometriche, senza veri e propri calcoli. Gli ingegneri della Bell hanno sviluppato schemi di ricerca speciali (hunting circuits), che scansionavano il nastro avanti e indietro per cercare l'indirizzo del valore tabulare desiderato indipendentemente dai calcoli. Stibitz ha stabilito che il suo computer Model III, che cliccava senza sosta relè giorno e notte, sostituiva da 25 a 40 calcolatrici.
Rack con relè Bell Model III
La macchina Model V non ha mai prestato servizio militare. È diventata ancora più versatile e potente. Se consideriamo il numero di calcolatori che sostituisce, supera di circa dieci volte il Model III. Diversi moduli di calcolo con 9.000 relè potevano ricevere dati in ingresso 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. Ciò consentiva, durante il calcolo di un compito con il nastro principale, di richiamare vari sottoprogrammi. Il modulo di controllo principale (essenzialmente un'analogica del 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 straordinario: 1937
Il 1937 può essere considerato un punto di svolta nella storia delle macchine calcolatrici. In quell'anno, Shannon e Stibitz notarono la somiglianza tra circuiti a relè e funzioni matematiche. Queste scoperte portarono i Bell Labs a creare una serie di importanti macchine digitali. Era una sorta di — o addirittura sostituzione, — quando un umile relé 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 è stato pubblicato un articolo del matematico britannico Alan Turing "Sui numeri calcolabili in relazione a " (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). In esso veniva descritta una macchina calcolatrice universale: l'autore sosteneva che essa potesse eseguire operazioni logicamente equivalenti a quelle degli umani calcolatori. Turing, che l'anno precedente era entrato nel programma di dottorato dell'Università di Princeton, era anche affascinato dagli schemi relè. E, come Bush, preoccupato per la crescente minaccia di guerra con la Germania. Così decise di dedicarsi a un progetto crittografico laterale: un moltiplicatore binario che potesse essere utilizzato per cifrare messaggi militari. Turing lo costruì con dei relè, raccolti nell'officina meccanica dell'università.
Nel 1937, Howard Aiken stava riflettendo su una macchina calcolatrice automatica. Aiken, uno studente di ingegneria elettrica ad Harvard, aveva effettuato una notevole quantità di calcoli utilizzando solo una calcolatrice meccanica e libri di matematica. Propose un design che eliminasse questa routine. A differenza dei dispositivi di calcolo esistenti, doveva elaborare i processi automaticamente e ciclicamente, utilizzando i risultati dei calcoli precedenti come input per quelli successivi.
Nel frattempo, presso la Nippon Electric Company, l'ingegnere delle telecomunicazioni Akira Nakashima studiava dal 1935 le connessioni tra i circuiti relè e la matematica. Infine, nel 1938, dimostrò autonomamente l'equivalenza dei circuiti relè con l'algebra booleana, scoperta da Shannon l'anno prima.
A Berlino, Konrad Zuse, un ex-ingegnere aeronautico esausto dai calcoli infiniti richiesti dal suo lavoro, cercava fondi per costruire una seconda macchina calcolatrice. Non era riuscito a far funzionare in modo affidabile il suo primo dispositivo meccanico, il V1, quindi desiderava realizzare un computer a relè, che sviluppò insieme al suo amico, l'ingegnere delle telecomunicazioni Helmut Schreyer.
La versatilità dei relè telefonici, le intuizioni sulla logica matematica e il desiderio di menti brillanti di liberarsi del lavoro noioso si intrecciarono, dando vita all'idea di una nuova macchina logica.
Generazione dimenticata
I frutti delle scoperte e degli sviluppi del 1937 dovettero maturare per alcuni anni. La guerra si rivelò il concime più potente e, con il suo arrivo, i computer a relè iniziarono a spuntare ovunque ci fosse la necessaria expertise tecnica. La logica matematica divenne la griglia per i circuiti elettrici. Emerse una nuova forma di macchine calcolatrici programmabili: il primo abbozzo dei computer moderni.
In aggiunta alle macchine di Stibitz, 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 rivendicavano diritti sul dispositivo. Il Mark I / ASCC utilizzava circuiti relè di controllo, ma il modulo aritmetico principale era costruito secondo l'architettura delle calcolatrici meccaniche IBM. La macchina era stata creata per le esigenze dell'Ufficio delle Navi 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 si basavano esclusivamente su relè — su 13.000 relè.
Durante la guerra, Tsuzō costruì diversi computer a relè, sempre più complessi. Il culmine fu il V4, che, come il Bell Model V, comprendeva impianti per chiamare sottoprogrammi ed eseguiva salti condizionali. A causa della mancanza di materiali in Giappone, nessuno dei progetti di Nakashima 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 a relè, la seconda delle quali era un mostro con 20.000 relè. L'azienda Fujitsu, coinvolta nella creazione, sviluppò i propri prodotti commerciali.
Oggi queste macchine sono quasi completamente dimenticate. Rimane solo un nome nella memoria: ENIAC. La ragione dell'oblio non riguarda la loro complessità, le loro capacità o la loro velocità. Le proprietà computazionali e logiche dei relè, scoperte da scienziati e ricercatori, si applicano a qualsiasi tipo di dispositivo che può operare come un interruttore. E così avvenne che un altro dispositivo simile era disponibile — elettronico un interruttore che potrebbe attivarsi centinaia di volte più velocemente di un relè.
L'importanza della Seconda Guerra Mondiale nella storia delle macchine calcolatrici dovrebbe ormai essere chiara. La guerra più terribile ha dato impulso allo sviluppo delle macchine elettroniche. La sua inizio ha liberato risorse necessarie per superare i difetti evidenti degli interruttori elettronici. Il dominio dei computer elettromeccanici si è rivelato breve. Proprio come i titani, sono stati rovesciati dai loro stessi figli. Come i relè, la commutazione elettronica è emersa dalle esigenze dell'industria delle telecomunicazioni. E per scoprire da dove proviene, dobbiamo riavvolgere la nostra storia fino ai primi giorni dell'era della radio.
Fonte: habr.com
