De vergeten generatie van relaiscomputers

Bij ons vorig artikel werd de bloei van automatische telefooncentrales beschreven, die werden aangestuurd met relaischema's. Dit keer willen we vertellen over hoe wetenschappers en ingenieurs relaischema's ontwikkelden in de eerste — nu al vergeten — generatie digitale computers.

Relais op hun hoogtepunt

Als je het je herinnert, is het principe van relays gebaseerd op een eenvoudig principe: een elektromagneet bedient een metalen schakelaar. Het idee van het relais werd in de jaren 1830 onafhankelijk van elkaar voorgesteld door verschillende natuuronderzoekers en ondernemers in de telegraphie. Vervolgens transformeerden uitvinders en technici in het midden van de 19e eeuw het relais in een betrouwbaar en onmisbaar onderdeel van telegraphenetsystemen. Precies in dit domein bereikte het relais zijn hoogtepunt: het werd ge-miniaturiseerd en generaties ingenieurs creëerden een ontelbaar aantal constructies, waarbij ze formeel wiskunde en natuurkunde leerden.

Aan het begin van de 20e eeuw bevatten niet alleen automatische schakelsystemen, maar vrijwel alle apparatuur van telefonienetwerken verschillende soorten relays. Een van de vroegste toepassingen in de telefonie dateert uit de jaren 1870, in handmatige schakelaars. Wanneer een abonnee de handgreep van de telefoon draaide (de magneetgreep), werd een signaal naar de telefooncentrale verzonden, waardoor de blinker werd ingeschakeld. De blinker is een relais, dat, wanneer het wordt geactiveerd, een metalen klep op de schakeltafel van de telefoniste deed vallen, wat aangaf dat er een inkomende oproep binnenkwam. Toen stopte de telefoniste de stekker in de aansluiting, werd het relais gereset, waarna het mogelijk was om de klep opnieuw op te tillen, die in die positie door de elektromagneet werd vastgehouden.

In 1924, zoals twee ingenieurs van het bedrijf Bell schreven, bediende een typische handmatige telefooncentrale ongeveer 10.000 abonnees. In de apparatuur bevonden zich 40.000 tot 65.000 relais, waarvan de gecombineerde magnetische kracht 'voldoende was om 10 ton op te tillen'. In grote telefooncentrales met machinecentrales werden deze cijfers verdubbeld. In het hele telefoniesysteem van de VS werden miljoenen relais gebruikt, en hun aantal nam voortdurend toe naarmate de automatisering van telefooncentrales vorderde. Één telefoonaansluiting kon worden bediend door enkele tot honderden relais, afhankelijk van het aantal en de uitrusting van de betrokken telefooncentrales.

De fabrieken van Western Electric, die deel uitmaakten van de Bell Corporation, produceerden een enorm assortiment relais. Ingenieurs creëerden zoveel variaties dat deze diversiteit zelfs de meest ervaren hondenfokkers of duivenliefhebbers zou doen jaloers zijn. De snelheid en gevoeligheid van de relais werden geoptimaliseerd en de afmetingen werden verkleind. In 1921 produceerde Western Electric bijna 5 miljoen relais van de 100 belangrijkste types. Het meest gangbare was het universele relais Type E, een platte, vrijwel rechthoekige eenheid die enkele tientallen gram woog. Het was voornamelijk gemaakt van gestanst metalen onderdelen, wat het technologisch maakbaar maakte. De behuizing beschermde de contacten tegen stof en geïnduceerde stromen van aangrenzende apparaten: gewoonlijk werden relais direct naast elkaar gemonteerd, in rekken met honderden en duizenden relais. In totaal werden er 3000 varianten van Type E ontwikkeld, die elk verschilden in de configuraties van de wikkelingen en contacten.

Al snel werden deze relais gebruikt in de meest complexe schakelaars.

Coördinaten schakelaar

In 1910 had Gottthilf Betulander, een ingenieur van Royal Telegrafverket — de overheidsorganisatie die het grootste deel van de Zweedse telefoonmarkt controleerde (decennialang bijna de gehele) — een idee. Hij geloofde dat hij de efficiëntie van de operaties van Telegrafverket aanzienlijk kon verbeteren door automatische schakelsystemen te bouwen die volledig op relais waren gebaseerd. Met name op relaismatrices: roosters van stalen staven die verbonden waren met telefoonlijnen, met relais op de kruispunten van de staven. Zo'n schakelaar zou sneller, betrouwbaarder en makkelijker te onderhouden moeten zijn in vergelijking met systemen die op glijdende of draaiende contacten zijn gebaseerd.

Bovendien bedacht Betulander dat het mogelijk was om de delen van het systeem die verantwoordelijk waren voor selectie en verbinding, in onafhankelijke relaiscircuits te scheiden. Het resterende deel van het systeem moest alleen worden gebruikt voor het instellen van het spraakkanaal en vervolgens vrijgemaakt worden voor de bediening van een ander gesprek. Met andere woorden, Betulander kwam op het idee dat later 'gemeenschappelijk beheer' (common control) zou worden genoemd.

Het schema dat het telefoonnummer van de binnenkomende oproep opslaat, noemde hij de 'recorder' (een andere term is register). Het schema dat in het rooster zoekt en beschikbare verbindingen 'merkte', noemde hij de 'marker'. De auteur patenteerde zijn systeem. Enkele van deze stations kwamen tot stand in Stockholm en Londen. In 1918 hoorde Betulander over een Amerikaanse innovatie: een coördinatenwisselsysteem, ontwikkeld door ingenieur Bell, John Reynolds, vijf jaar eerder. Dit wisselsysteem leek erg op Betulander's uitvinding, maar gebruikte n + m een relais voor onderhoud n + m van matrixknooppunten, wat veel handiger was voor de verdere uitbreiding van telefoonstations. Bij het tot stand brengen van een verbinding klemde de houdrail de 'vingers' van de pianokabels, terwijl de selectierail over de matrix bewogen werd om verbinding te maken met een andere oproep. Het volgende jaar implementeerde Betulander dit idee in het ontwerp van zijn wissel.

Maar de meeste ingenieurs beschouwden Betulander's creatie als vreemd en te ingewikkeld. Toen het tijd was om een schakelsysteem te kiezen voor de automatisering van netwerken in de grootste Zweedse steden, gaf Telegrafverket de voorkeur aan een ontwerp ontwikkeld door het bedrijf Ericsson. Betulander's schakelaars werden alleen gebruikt in kleine telefoonstations op het platteland: relais waren betrouwbaarder dan de gemotoriseerde automatisering van Ericsson's schakelaars en vereisten geen onderhoudstechnici op elk station.

Echter, Amerikaanse telefooningenieurs hadden daar een andere mening over. In 1930 kwamen Bell Labs-specialisten naar Zweden en waren 'erg onder de indruk van de specificaties van het coördinatenwisselsysteem'. Bij terugkeer begonnen de Amerikanen onmiddellijk te werken aan wat later bekend zou worden als 'coördinatiesysteem nr. 1', dat de paneelwissels in grote steden verving. Tegen 1938 waren er twee van deze systemen geïnstalleerd in New York. Al snel werden ze standaarduitrusting voor stedelijke telefoonstations, totdat meer dan 30 jaar later elektronische schakelaars hen vervangen.

De interessantste component van de coördinatenschakelaar nr. 1 was de nieuwe, complexere marker, ontwikkeld door Bell. Deze was bedoeld om een vrij pad te vinden van de beller naar de gebelde via verschillende aan elkaar gekoppelde coördinatiemodules, waardoor een telefoonaansluiting tot stand kon worden gebracht. Ook moest de marker elke verbinding testen op de status 'vrij'/'bezet'. Dit vereiste het toepassen van voorwaardelijke logica. Zoals historicus Robert Chapuis schreef:

De keuze is voorwaardelijk, omdat een vrije verbinding alleen wordt vastgehouden als deze toegang biedt tot een coördinatenrail, die als uitgang een vrije verbinding heeft met het volgende niveau. Als meerdere sets verbindingen aan de vereiste voorwaarden voldoen, dan kiest de 'prioriteitslogica' (preferential logic) een van [de bestaande] minst talrijke verbindingen...

De coördinatenschakelaar is een prachtig voorbeeld van wederzijdse verrijking van technologische ideeën. Betulander creëerde zijn volledig relais-schakelaar, verbeterde deze met de schakelematrix van Reynolds en bewees de werking van het resulterende ontwerp. Ingenieurs van AT&T herwerkten later deze hybride schakelaar, verbeterden deze en creëerden coördinatensysteem nr. 1. Dit systeem werd vervolgens een component van twee vroege rekensystemen, waarvan er één nu wordt erkend als een mijlpaal in de geschiedenis van de rekentechniek.

Wiskundige berekeningen (Mathematical labor)

Om te begrijpen hoe en waarom relais en hun elektronische neven een revolutie teweegbrachten in de rekentechniek, hebben we een korte excursie nodig naar de wereld van wiskundige berekeningen. Dit maakt duidelijk waarom de verborgen vraag naar het optimaliseren van rekenprocessen ontstond.

Aan het begin van de 20e eeuw was het hele systeem van de moderne wetenschap en techniek gebaseerd op het werk van duizenden mensen die wiskundige berekeningen uitvoerden. Zij werden genoemd computers (computers) [Om verwarring te voorkomen, zal hierna de term berekenaars. — Opmerking van de vertaler.]. Al in de jaren 1820 creëerde Charles Babbage de verschilmachine (hoewel zijn apparaat ideologische voorgangers had). Zijn belangrijkste taak was de automatisering van het opstellen van wiskundige tabellen, bijvoorbeeld voor navigatie (het berekenen van trigonometrische functies met polynomiale benaderingen bij 0 graden, 0,01 graden, 0,02 graden, enzovoorts). Er was ook grote vraag naar wiskundige berekeningen in de astronomie: er moesten ruwe resultaten van telescopische waarnemingen in vaste gebieden van de hemel worden verwerkt (afhankelijk van de tijd en datum van de waarnemingen) of de banen van nieuwe objecten worden bepaald (bijvoorbeeld de Halley's komeet).

Sinds de tijd van Babbage is de behoefte aan rekensystemen exponentieel gegroeid. Energiebedrijven moesten het gedrag van complexe transmissiesystemen met zeer ingewikkelde dynamische eigenschappen begrijpen. Geweren van Bessemerstaal, in staat om projectielen over de horizon te schieten (en dankzij directe waarneming van het doel niet meer te worden gericht), vereisten steeds nauwkeurigere ballistische tabellen. Nieuwe statistische instrumenten, die een grote hoeveelheid wiskundige berekeningen vereisten (zoals de methode van de kleinste kwadraten), werden steeds breder toegepast in zowel de wetenschap als in de groeiende overheidsadministratie. In universiteiten, overheidsinstellingen en industriële bedrijven verschenen rekenafdelingen, waarin meestal vrouwen werden aangenomen.

Mechanische rekenmachines maakten de berekeningen gemakkelijker, maar losten het probleem niet op. Rekenmachines versnelden de rekenoperaties, maar elke complexe wetenschappelijke of technische taak vereiste honderden of duizenden bewerkingen, die de rekenschap (de mens) handmatig moest uitvoeren, terwijl hij zorgvuldig alle tussenresultaten noteerde.

De opkomst van nieuwe benaderingen van het probleem van wiskundige berekeningen werd bevorderd door verschillende factoren. Jonge wetenschappers en ingenieurs, die 's nachts pijnigend hun taken calculeerden, wilden hun handen en ogen rust geven. Projectleiders waren gedwongen steeds meer geld uit te geven aan de lonen van talloze berekenaars, vooral na de Eerste Wereldoorlog. Bovendien waren veel vooruitstrevende wetenschappelijke en technische problemen met moeite handmatig te berekenen. Al deze factoren leidden tot de ontwikkeling van rekenmachineseries, waaraan werd gewerkt onder leiding van Vannevar Bush, een elektrotechnisch ingenieur van het Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Differentiëel analyzer

Tot dit moment was de geschiedenis vaak onpersoonlijk geweest, maar nu zullen we meer spreken over specifieke mensen. De roem heeft de oprichters van de paneel switch, het Type E relais en het coördinatenmarkeringsschema voorbijgeschoten. Van hen zijn niet eens biografische anekdotes bewaard gebleven. De enige openbare getuigenissen van hun leven zijn de overblijfselen van de machines die ze hebben gemaakt.

Nu kunnen we een dieper inzicht krijgen in mensen en hun verleden. Maar we zullen niet meer degenen ontmoeten die hardwerkend op zolders en in werkplaatsen thuis bezig waren — Morse en Weil, Bell en Watson. Tegen het einde van de Eerste Wereldoorlog was het tijdperk van de heroïsche uitvinders bijna voorbij. Thomas Edison kan als een overgangsfiguur worden gezien: aan het begin van zijn carrière was hij een ingehuurde uitvinder, en aan het einde was hij de eigenaar van een 'uitvindingfabriek'. Tegen die tijd was de ontwikkeling van de meest opvallende nieuwe technologieën het domein van organisaties geworden — universiteiten, onderzoeksafdelingen van bedrijven, overheidslaboratoria. De mensen over wie we in dit hoofdstuk zullen spreken, maakten precies deel uit van zulke organisaties.

Bijvoorbeeld, Vannevar Bush. Hij arriveerde aan het MIT in 1919, toen hij 29 jaar oud was. Iets meer dan 20 jaar later werd hij een van de mensen die van invloed waren op de deelname van de VS aan de Tweede Wereldoorlog, en hielp hij de overheidsfinanciering te vergroten, wat de relatie tussen de overheid, de academische wereld en de ontwikkeling van wetenschap en technologie voor altijd veranderde. Maar binnen het kader van dit artikel zijn we geïnteresseerd in de serie machines die in het laboratorium van Bush werden ontwikkeld vanaf het midden van de jaren 20, bedoeld om het probleem van wiskundige berekeningen op te lossen.

MIT, onlangs verhuisd van het centrum van Boston naar de oever van de Charles River in Cambridge, was nauw verbonden met de behoeften van de industrie. Bush had, naast zijn professorale functie, financiële belangen in verschillende bedrijven in de elektronica. Dus het zal je niet verbazen dat het probleem dat Bush en zijn studenten naar het werk aan een nieuw rekentoestel leidde, voortkwam uit de energie-industrie: er was behoefte aan het modelleren van het gedrag van elektriciteitsleidingen onder piekbelasting. Het is duidelijk dat dit slechts een van de vele mogelijke toepassingen van rekentmachines was: vermoeiende wiskundige berekeningen vonden overal plaats.

Bush en zijn collega's bouwden aanvankelijk twee machines, die productintegratoren (product integraphs) werden genoemd. Maar de meest bekende en succesvolle machine van MIT werd een andere — differentieel analizador, voltooid in 1931. Het loste problemen op met de overdracht van elektrische energie, berekende de banen van elektronen, de trajecten van kosmische straling in het magnetische veld van de aarde en nog veel meer. Onderzoekers over de hele wereld die behoefte hadden aan rekencapaciteit, schiepen in de jaren 30 tientallen kopieën en varianten van de differentieel analizador. Sommige — zelfs gemaakt van Meccano (de Engelse tegenhanger van de Amerikaanse speelgoedconstructies van het merk Erector Set).

Een differentiaalanalysator is een analoge computer. Wiskundige functies werden berekend met behulp van draaiende metalen staven, waarvan de rotatiesnelheid een bepaalde kwantitatieve waarde weerspiegelde. Een motor drijft een onafhankelijke staaf aan - de variabele (meestal vertegenwoordigt deze tijd), die op zijn beurt, via mechanische verbindingen, andere staven (verschillende differentiële variabelen) draaide, en op basis van de invoersnelheid van de rotatie werd de functie berekend. De resultaten van de berekeningen werden op papier getekend in de vorm van krommen. De belangrijkste componenten waren integratoren - wielen die draaiden met schijven. Integratoren konden de integraal van een kromme berekenen zonder vermoeiende handmatige berekeningen.

Differentiaalanalysator. Integratiemodule - met een geopend deksel, aan de kant van het raam bevinden zich tafels met berekeningsresultaten, en in het midden een complex van berekeningsstangen.

Geen van de componenten van de analyser bevatte discrete schakelrelais of digitale schakelaars. Waarom vertellen we dan over dit apparaat? Het antwoord geeft de vierde machine van de familie.

In het begin van de jaren 30 begon Bush de Rockefeller Foundation te benaderen om financiering te verkrijgen voor de verdere ontwikkeling van de analaysator. Warren Weaver, het hoofd van de afdeling natuurlijke wetenschappen van de stichting, kon in eerste instantie niet overtuigd worden. Ingenieurswetenschappen vielen buiten zijn vakgebied. Bush adverteerde echter het onbegrensde potentieel van zijn nieuwe machine met betrekking tot wetenschappelijke toepassingen - vooral in de mathematische biologie, het favoriete project van Weaver. Bush beloofde ook talrijke verbeteringen aan de analysator, inclusief "de mogelijkheid om de analysator snel van het ene probleem naar het andere om te schakelen, zoals een telefooncentrale". In 1936 werden zijn inspanningen beloond met een subsidie van 85.000 dollar, toegewezen voor de creatie van een nieuw apparaat, dat later de differentiaalanalysator van Rockefeller werd genoemd.

Als praktische rekenmachine was deze analyser niet een baanbrekend succes. Bush, die vice-president van MIT en decaan van de faculteit werktuigbouwkunde werd, kon niet veel tijd besteden aan het leiderschap van de ontwikkeling. In feite trok hij zich al snel terug en ging de verantwoordelijkheden als voorzitter van het Carnegie Institute in Washington aan. Bush voelde de oorlog naderen en had verschillende wetenschappelijke en productie-ideeën die de behoeftes van de strijdkrachten konden dienen. Met andere woorden, hij wilde dichter bij de centra van de macht zijn, waar hij effectiever invloed kon uitoefenen op het oplossen van bepaalde kwesties.

Tegelijkertijd losten de medewerkers van het laboratorium de technische problemen op die door het nieuwe ontwerp werden dictaterd, en al snel werden ze afgeleid om aan militaire taken te werken. De Rockefeller-machine werd pas in 1942 voltooid. De militaire autoriteiten beschouwden deze als nuttig voor de productie van ballistische tabellen voor de artillerie. Maar al snel overschaduwde deze apparaten puur digitale computers — die cijfers niet als fysieke grootheden weergaven, maar abstract, door middel van schakelposities. Het toeval wilde dat in de Rockefeller-analyser behoorlijk wat van dergelijke schakelaars werden gebruikt, bestaande uit relaiscircuits.

Shannon

In 1936 was Claude Shannon pas 20 jaar oud, maar hij had al de Universiteit van Michigan afgerond met een bachelordiploma in twee specialisaties: elektrotechniek en wiskunde. Een reclameflyer, die op het mededelingenbord was gespeld, leidde hem naar MIT. Vannevar Bush zocht een nieuwe assistent voor het werk aan de differentiële analyzer. Shannon solliciteerde zonder aarzeling en begon al snel te werken aan nieuwe problemen, en pas daarna kreeg het nieuwe apparaat vorm.

Shannon leek op geen enkele manier op Bush. Hij was geen zakenman, geen bouwer van een academisch imperium en geen administrator. Zijn hele leven hield hij van spellen, puzzels en vermaak: schaken, jongleren, doolhoven, cryptogrammen. Net als veel mannen in zijn tijd wijdde Shannon zich tijdens de oorlog aan een serieuze zaak: hij bekleedde een functie met een overheidscontract bij Bell Labs, wat zijn kwetsbare lichaam beschermde tegen militaire dienstplicht. Zijn onderzoek naar schietbeheer en cryptografie in die periode leidde op zijn beurt tot een fundamenteel werk over informatietheorie (daar zullen we niet verder op ingaan). In de jaren '50, toen de oorlog en de gevolgen ervan tot rust waren gekomen, keerde Shannon terug naar het onderwijs aan MIT, waarbij hij zijn vrije tijd besteedde aan vermaak: een rekenmachine die uitsluitend met Romeinse cijfers werkte; een machine waarbij, als deze werd ingeschakeld, een mechanische arm tevoorschijn kwam en de machine uitschakelde.

De structuur van de Rockefeller-machine waarmee Shannon werd geconfronteerd, was logisch gezien dezelfde als die van de analyser uit 1931, maar ze was opgebouwd uit volkomen andere fysieke componenten. Bush realiseerde zich dat de staven en mechanische aandrijvingen in oude machines de efficiëntie verlaagden: om berekeningen uit te voeren, moest de machine worden ingesteld, wat veel man-uren vergde van gekwalificeerde monteurs.

De nieuwe analyzer had dit nadeel niet meer. In plaats van een tafel met staven was het ontworpen rondom een coördinaten-switch — een extra prototype geschonken door Bell Labs. In plaats van energie vanaf de centrale as over te dragen, werd elk geïntegreerd module onafhankelijk aangedreven door een elektromotor. Om de machine in te stellen voor een nieuwe taak, was het voldoende om simpelweg relais in de coördinatenmatrix te configureren om de integrators in de juiste volgorde te verbinden. De perforator (geleend van een ander telecommunicatieapparaat, de rol-teletypemachine) las de configuratie van de machine, en het relaiscircuit transformeerde het signaal van de band in stuur signalen voor de matrix — dit leek op het tot stand brengen van een serie telefoongesprekken tussen integrators.

De nieuwe machine was niet alleen veel sneller en eenvoudiger in te stellen, maar werkte ook sneller en preciezer dan zijn voorganger. Hij kon complexere taken oplossen. Tegenwoordig zou men deze computer primitief, zelfs extravagant kunnen noemen, maar destijds leek hij voor waarnemers een soort groot — of misschien wel vreselijk — werkend verstand.

Het is in wezen een wiskundige robot. Een door elektriciteit aangedreven automaat, ontworpen niet alleen om de mens te ontlasten van zware berekeningen en analyses, maar ook om zich te storten op wiskundige problemen die niet door de menselijke geest konden worden opgelost, en deze op te lossen.

Shannon concentreerde zich op het omzetten van gegevens van papierbanden naar instructies voor de 'hersenen', en deze operatie werd verzorgd door een relais netwerk. Hij merkte de overeenkomst op tussen de structuur van het netwerk en de wiskundige structuren van de Booleaanse algebra, die hij in zijn laatste jaar in Michigan had bestudeerd. Dit is de algebra waarvan de operanden waren WAAR en ONWAAR, en de operatoren waren EN, OF, NIET enzovoort. De algebra die overeenkwam met logische uitspraken.

Nadat hij de zomer van 1937 had doorgebracht met werken bij Bell Labs op Manhattan (een ideale plek om na te denken over relais netwerken), schreef Shannon een masterproef getiteld 'Symbolische analyse van relais en schakelschema's' (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Naast het werk van Alan Turing, dat een jaar eerder tot stand kwam, vormde Shannon's proefschrift de basis van de wetenschap van rekentechnieken.

Gedurende de jaren 1940-1950 bouwde Shannon verschillende rekenkundige/logische machines: een rekenmachine met Romeinse cijfers genaamd THROBAC, een machine voor eindspelen in schaken, en Moreover Theseus — een doolhof waarin een elektromechanische muis (op de foto) rondreed.

Shannon ontdekte dat het systeem van propositional logica rechtstreeks mechanistisch kon worden omgezet in een fysieke schakeling van relais. Hij concludeerde: 'Eigenlijk kan elke operatie die beschreven kan worden in een eindig aantal stappen met woorden ALS, EN, OF enzovoort, automatisch worden uitgevoerd met behulp van relais'. Bijvoorbeeld, twee bestuurde relais van een schakelaar, die in serie zijn verbonden, vormen een logische. En: stroom zal alleen door de hoofdleiding stromen wanneer beide elektromagnetschakelaars zijn ingeschakeld. Tegelijkertijd vormen twee parallel geschakelde relays OF: stroom stroomt door het hoofdschema, geactiveerd door een van de elektromagneten. De uitvoer van zo'n logisch schema kan op zijn beurt de elektromagneten van andere relays aansturen om complexere logische operaties zoals (A En B) of (V En G) uit te voeren.

Shannon voltooide zijn promotieonderzoek met een bijlage met verschillende voorbeelden van schakelingen die volgens zijn methode zijn gemaakt. Aangezien de operaties van de Booleaanse algebra sterk lijken op de rekenkundige operaties in het binaire systeem (d.w.z. met behulp van binaire getallen), toonde hij aan hoe je van relays een 'elektronische opteller in binaire systemen' kunt bouwen — we noemen dit een binaire opteller. Enkele maanden later maakte een van de wetenschappers van Bell Labs zo'n opteller op een keukentafel.

Stibitz

George Stibitz, een onderzoeker van de wiskundige afdeling bij Bell Labs in Manhattan, bracht op een donkere novemberavond in 1937 een vreemde set apparatuur mee naar huis. Droge batterijcellen, twee kleine lampjes voor hardwarepanelen en een paar platte Type U relays gevonden in de vuilnisbak. Door een paar draden en wat rommel toe te voegen, bouwde hij een apparaat dat twee enkelvoudige binaire getallen kon optellen (vertaald door de aanwezigheid of afwezigheid van invoer spanning) en een twee-cijferig getal kon weergeven met lampjes: één — aan, nul — uit.

De binaire opteller van Stibitz

Stibitz, opgeleid als fysicus, werd gevraagd om de fysische eigenschappen van relaismagneten te beoordelen. Voorheen had hij helemaal geen ervaring met relais en begon hij daarom met het bestuderen van hun gebruik in telefoonschakelingen van Bell. Al snel merkte George de overeenkomst op tussen sommige schakelingen en rekenkundige bewerkingen met binaire getallen. Geïntrigeerd, bouwde hij zijn bijproject op de keukentafel.

In het begin wekte Stibitz' gekkigheid met relais weinig interesse bij het management van Bell Labs. Maar in 1938 vroeg de leidinggevende van de onderzoeksgroep aan George of zijn rekenmachines konden worden gebruikt voor rekenkundige operaties met complexe getallen (bijvoorbeeld, a + bi, waar i — de vierkantswortel van een negatief getal). Het bleek dat verschillende rekenafdelingen bij Bell Labs al zuchtten omdat ze constant met zulke getallen moesten vermenigvuldigen en delen. Het vermenigvuldigen van één complex getal vergde vier rekenkundige bewerkingen op een bureaucalculator, en het delen vereiste 16 bewerkingen. Shteibitz zei dat hij het probleem kon oplossen en ontwikkelde een schema voor een machine voor dergelijke berekeningen.

De uiteindelijke constructie, die in metaal werd uitgevoerd door telefonie-ingenieur Samuel Williams, werd de Complex Number Computer genoemd — of kortweg Complex Computer — en werd in 1940 in gebruik genomen. Voor berekeningen werden 450 relais gebruikt, en de tussenresultaten werden opgeslagen in tien coördinatenwisselaars. Gegevens werden ingevoerd en ontvangen via een rollen teletype. In de afdelingen van Bell Labs werden drie van zulke teletype machines geïnstalleerd, wat duidt op een grote behoefte aan rekencapaciteit. Relais, matrix, telettermen — in alle opzichten was dit een product van het Bell-systeem.

De ster van de Complex Computer schitterde op 11 september 1940. Shteibitz presenteerde een rapport over de computer op een bijeenkomst van de American Mathematical Society aan Dartmouth College. Hij regelde dat daar ook een teletype zou worden geïnstalleerd met een telecommunicatieverbinding naar de Complex Computer in Manhattan, 400 kilometer verderop. Geïnteresseerden konden naar de teletype gaan, de probleeminstellingen op het toetsenbord invoeren en zien hoe het minder dan een minuut duurde voordat de teletype op magische wijze het resultaat uitprintte. Onder degenen die de nieuwe technologie uitprobeerden, waren John Mauchly en John von Neumann, ieder van hen zou een belangrijke rol spelen in het vervolg van ons verhaal.

De deelnemers aan de bijeenkomst kregen een korte glimp van de toekomstige wereld te zien. Later werden computers zo duur dat beheerders zich niet meer konden veroorloven om ze stil te laten staan, terwijl de gebruiker zijn kin krabbelde voor het bedieningspaneel, terwijl hij nadacht over wat hij verder moest invoeren. In de volgende 20 jaar zouden wetenschappers denken over hoe ze algemene computers konden creëren die altijd klaar zouden staan om gegevens van u in te voeren, zelfs terwijl ze aan iets anders werkten. En dan zou het nog eens 20 jaar duren voordat deze interactieve rekenmode de norm zou worden.

Shebits aan de Dartmouth interactieve terminal in de jaren '60. Dartmouth College was een pionier op het gebied van interactieve computertechnologie. Shebits werd in 1964 professor aan het college.

Het is verbazingwekkend dat, ondanks de taken die het uitvoerde, de Complex Computer volgens moderne maatstaven helemaal geen computer was. Hij kon rekenkundige bewerkingen met complexe getallen uitvoeren en waarschijnlijk andere soortgelijke taken oplossen, maar geen algemene taken. Hij was niet programmeerbaar. Hij kon geen bewerkingen in een willekeurige volgorde uitvoeren of herhaaldelijk. Het was een calculator die bepaalde berekeningen veel beter kon uitvoeren dan zijn voorgangers.

Met het begin van de Tweede Wereldoorlog werd onder leiding van Shebits bij Bell een serie computers ontwikkeld met de namen Model II, Model III en Model IV (de Complex Computer kreeg de naam Model I). Het merendeel van deze machines werd gebouwd op verzoek van het National Defense Research Committee, dat werd geleid door niemand minder dan Vannevar Bush. Shebits verbeterde het ontwerp van de machines met het oog op grotere veelzijdigheid en programmeerbaarheid.

Bijvoorbeeld, de Ballistic Calculator (later Model III) werd ontwikkeld voor het beheer van luchtverdedigingssystemen. Deze werd in 1944 in gebruik genomen in Fort Bliss, Texas. Het apparaat bevatte 1400 relais en kon een programma voor wiskundige bewerkingen uitvoeren, bepaald door een reeks instructies op een doorlopende papieren tape. Er werd apart een tape met invoergegevens aangeboden, en apart tabelgegevens. Dit maakte het mogelijk om snel waarden te vinden, bijvoorbeeld van trigonometrische functies zonder echte berekeningen. De ingenieurs van Bell ontwikkelden speciale zoekcircuiten (hunting circuits), die de tape vooruit/achteruit scande en het adres van de benodigde tabelwaarde zochten, zonder gebruik van berekeningen. Shebits stelde vast dat zijn computer Model III, die dag en nacht relais klikte, 25-40 rekenmachines verving.

Kasten met relais van Bell Model III

De Model V-machine had inmiddels geen militaire dienst meer gedaan. Hij werd nog veelzijdiger en krachtiger. Als we kijken naar het aantal rekenmodules dat hij verving, overtrof hij de Model III ongeveer tien keer. Verschillende rekengroepen met 9.000 relais konden gegevens ontvangen van meerdere stations waar gebruikers de voorwaarden van verschillende taken invoerden. Elk station had één magneetbandlezer voor de invoer van gegevens en vijf voor instructies. Dit maakte het mogelijk om bij de berekening van een taak verschillende subprogramma's op te roepen vanaf de hoofdband. De centrale controlemodule (een soortgelijke functie als een besturingssysteem) verdeelde instructies over de rekenmodules op basis van hun beschikbaarheid, en programma's konden voorwaardelijke sprongen maken. Dit was al meer dan een eenvoudige rekenmachine.

Jaar van wonderen: 1937

Het jaar 1937 kan worden beschouwd als een keerpunt in de geschiedenis van rekentuigen. Dat jaar zagen Shannon en Stibitz de overeenkomsten tussen relaiscircuits en wiskundige functies. Deze conclusies leidden Bell Labs tot de creatie van een hele serie belangrijke digitale machines. Het was een soort exaptatie — of zelfs vervangingen — waarbij een bescheiden telefoonrelais, zonder zijn fysieke vorm te veranderen, het belichaming werd van abstracte wiskunde en logica.

In datzelfde jaar, in het januari-nummer van het tijdschrift Proceedings of the London Mathematical Society verschijnt een artikel van de Britse wiskundige Alan Turing, "Over Berekenbare Getallen met betrekking tot de decisibility problem‘ (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). Hierin werd een universele rekenmachine beschreven: de auteur beweerde dat deze in staat zou zijn om acties uit te voeren die logisch equivalent waren aan die van menselijke rekenaars. Turing, die het jaar daarvoor aan de graduate school van Princeton was begonnen, was ook gefascineerd door relaiscircuits. En, net als Bush, bezorgd over de toenemende dreiging van oorlog met Duitsland. Daarom nam hij de taak op zich van een externe cryptografisch project — een binaire vermenigvuldiger die kon worden gebruikt voor het coderen van militaire berichten. Turing bouwde het met relais, samengesteld uit de mechanische werkplaats van de universiteit.

In hetzelfde jaar 1937 overwoog Howard Aiken demogelijkheden van een automatische rekenmachine. Aiken, een afgestudeerde elektrotechniek aan Harvard, voerde een groot deel van de berekeningen uit met alleen een mechanische rekenmachine en gedrukte boeken met wiskundige tabellen. Hij stelde een ontwerp voor dat deze routine zou elimineren. In tegenstelling tot de bestaande rekentoestellen zou het automatisch en cyclisch processen verwerken, waarbij de resultaten van eerdere berekeningen als invoergegevens voor de volgende werden gebruikt.

In de tussentijd onderzocht Akira Nakashima, een telecommunicatie-ingenieur bij Nippon Electric Company, al sinds 1935 de verbanden tussen relaiscircuits en wiskunde. Uiteindelijk bewees hij in 1938 zelfstandig de equivalentie van relaiscircuits met Booleaanse algebra, die Shannon een jaar eerder ontdekte.

In Berlijn zocht de voormalige luchtvaartingenieur Konrad Zuse, moe van de eindeloze berekeningen die op het werk nodig waren, naar middelen om een tweede rekenmachine te creëren. Het lukte hem niet om zijn eerste mechanische apparaat, de V1, betrouwbaar te laten werken, dus wilde hij een relaiscomputer bouwen, die hij samen met zijn vriend, telecommunicatie-ingenieur Helmut Schreyer, ontwikkelde.

De veelzijdigheid van telefoonlys, inzichten in de wiskundige logica en het verlangen van briljante geesten om zich te ontdoen van vervelende taken - al deze elementen vervlochten zich met elkaar en leidden tot het ontstaan van het idee van een nieuw type logische machine.

De vergeten generatie

De vruchten van de ontdekkingen en ontwikkelingen van 1937 moesten enkele jaren rijpen. Oorlog bleek de krachtigste meststof te zijn, en met de komst ervan begonnen relaiscomputers overal op te duiken waar de nodige technische expertise aanwezig was. Wiskundige logica werd het raster voor de wijnstokken van de elektrotechniek. Nieuwe vormen van programmeerbare rekenmachines ontstonden - de eerste schetsen van moderne computers.

Naast de machines van Stibitz konden de VS in 1944 ook de Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC) tentoonstellen, het resultaat van een voorstel van Aiken. De dubbele naam ontstond door een verslechtering van de relaties tussen de academische wereld en de industrie: iedereen claimde rechten op het apparaat. De Mark I / ASCC gebruikte relaisbesturingssystemen, maar de belangrijkste rekenmodule was gebouwd volgens de architectuur van mechanische rekenmachines van IBM. De machine was gemaakt voor de behoeften van het Amerikaanse scheepsbouwbureau. Haar opvolger, de Mark II, begon in 1948 op het testterrein van de marine te werken, en al haar operaties waren uitsluitend gebouwd op relais — met 13.000 relais.

Zuse bouwde tijdens de oorlog verschillende relaiscomputers, steeds geavanceerder. De climax was de V4, die net als het Bell Model V, systemen voor het oproepen van subprogramma's bevatte en voorwaardelijke vertakkingen uitvoerde. Door een gebrek aan materialen in Japan werd geen van de ontwikkelingen van Nakashima en zijn landgenoten in metaal omgezet, totdat het land zich na de oorlog herstelde. In de jaren '50 financierde het opnieuw gevormde ministerie van Buitenlandse Handel en Industrie de creatie van twee relaismachines, waarvan de tweede een monster was met 20.000 relais. Fujitsu, dat betrokken was bij de creatie, ontwikkelde zijn eigen commerciële producten.

Vandaag de dag zijn deze machines bijna volledig vergeten. Slechts één naam blijft hangen — ENIAC. De reden voor deze vergetelheid heeft niet te maken met hun complexiteit, mogelijkheden of snelheid. De rekenkundige en logische eigenschappen van relais, die door wetenschappers en onderzoekers zijn ontdekt, zijn van toepassing op elk type apparaat dat kan functioneren als een schakelaar. En zo gebeurde het dat er een ander soortgelijk apparaat beschikbaar was — elektronische schakelaars, die honderden keren sneller konden reageren dan relais.

Het belang van de Tweede Wereldoorlog in de geschiedenis van rekenmachines zou inmiddels duidelijk moeten zijn. De meest vreselijke oorlog vormde de impuls voor de ontwikkeling van elektronische machines. De aanvang ervan heeft middelen vrijgemaakt die nodig waren om de duidelijke tekortkomingen van elektronische schakelaars te overwinnen. Het domineren van elektromechanische computers was van korte duur. Net als titanen werden ze verdrongen door hun nakomelingen. Electronic switching, zoals relais, ontstond uit de behoeften van de telecommunicatie-industrie. En om te begrijpen waar het vandaan kwam, moeten we onze geschiedenis terugdraaien naar het begin van het tijdperk van de radio.

Bron: habr.com