In onze beschreef de opkomst van automatische telefooncentrales, die werden bestuurd met behulp van relaiscircuits. Deze keer willen we het hebben over hoe wetenschappers en ingenieurs relaiscircuits ontwikkelden in de eerste – nu vergeten – generatie digitale computers.
Estafette op zijn hoogtepunt
Zoals u zich herinnert, is de werking van een relais gebaseerd op een eenvoudig principe: een elektromagneet bedient een metalen schakelaar. Het idee van een relais werd in de jaren 1830 onafhankelijk voorgesteld door verschillende natuuronderzoekers en ondernemers in de telegraafsector. Toen, halverwege de XNUMXe eeuw, veranderden uitvinders en monteurs relais in een betrouwbaar en onmisbaar onderdeel van telegraafnetwerken. Het was op dit gebied dat het leven van het relais zijn hoogtepunt bereikte: het werd geminiaturiseerd en generaties ingenieurs creëerden een groot aantal ontwerpen terwijl ze formeel een opleiding volgden in wiskunde en natuurkunde.
Aan het begin van de 1870e eeuw bevatten niet alleen automatische schakelsystemen, maar ook bijna alle telefoonnetwerkapparatuur een soort relais. Een van de eerste toepassingen in telefooncommunicatie dateert uit de jaren XNUMX, in handmatige schakelborden. Toen de abonnee aan de telefoonhendel (magnetohandgreep) draaide, werd een signaal naar de telefooncentrale gestuurd, waardoor de blender werd aangezet. Een blanker is een relais dat, wanneer het wordt geactiveerd, ervoor zorgt dat er een metalen klepje op het schakelbureau van de telefoniste valt, wat aangeeft dat er een binnenkomend gesprek is. Vervolgens stak de jongedame-operator de stekker in de connector, het relais werd gereset, waarna het mogelijk was de klep weer omhoog te brengen, die door de elektromagneet in deze positie werd gehouden.
In 1924, zo schreven twee Bell-ingenieurs, bediende de typische handmatige telefooncentrale ongeveer 10 abonnees. Haar uitrusting bevatte 40-65 relais, waarvan de totale magnetische kracht “voldoende was om 10 ton op te tillen.” Bij grote telefooncentrales met machineschakelaars werden deze kenmerken met twee vermenigvuldigd. In het hele Amerikaanse telefoonsysteem werden vele miljoenen relais gebruikt, en het aantal nam voortdurend toe naarmate de telefooncentrales werden geautomatiseerd. Eén telefoonverbinding kan worden bediend door enkele tot enkele honderden relais, afhankelijk van het aantal en de uitrusting van de betrokken telefooncentrales.
De fabrieken van Western Electric, een productiedochteronderneming van de Bell Corporation, produceerden een enorm assortiment relais. Ingenieurs hebben zoveel aanpassingen gemaakt dat de meest geavanceerde hondenfokkers of duivenhouders jaloers zouden zijn op deze variëteit. De werksnelheid en gevoeligheid van het relais zijn geoptimaliseerd en de afmetingen zijn verkleind. In 1921 produceerde Western Electric bijna 5 miljoen relais van honderd basistypen. Het populairst was het universele relais Type E, een plat, bijna rechthoekig apparaat dat enkele tientallen grammen woog. Het was voor het grootste deel gemaakt van gestempelde metalen onderdelen, dat wil zeggen dat het technologisch geavanceerd was in de productie. De behuizing beschermde de contacten tegen stof en geïnduceerde stromen van naburige apparaten: meestal werden de relais dicht bij elkaar gemonteerd, in rekken met honderden en duizenden relais. Er zijn in totaal 3 Type E-varianten ontwikkeld, elk met verschillende wikkel- en contactconfiguraties.
Al snel werden deze relais gebruikt in de meest complexe schakelaars.
Coördinatie commutator
In 1910 had Gotthilf Betulander, een ingenieur bij Royal Telegrafverket, het staatsbedrijf dat het grootste deel van de Zweedse telefoonmarkt controleerde (tientallen jaren lang, bijna de hele markt), een idee. Hij geloofde dat hij de efficiëntie van de activiteiten van Telegrafverket aanzienlijk kon verbeteren door automatische schakelsystemen te bouwen die volledig op relais waren gebaseerd. Meer precies, op relaismatrices: roosters van stalen staven verbonden met telefoonlijnen, met relais op de kruispunten van de staven. Een dergelijke schakelaar moet sneller, betrouwbaarder en gemakkelijker te onderhouden zijn dan systemen op basis van schuif- of draaicontacten.
Bovendien kwam Betulander op het idee dat het mogelijk was om de selectie- en verbindingsdelen van het systeem te scheiden in onafhankelijke relaiscircuits. En de rest van het systeem mag alleen worden gebruikt om een spraakkanaal tot stand te brengen, en dan vrij te zijn om een ander gesprek af te handelen. Dat wil zeggen, Betulander kwam met een idee dat later 'gemeenschappelijke controle' werd genoemd.
Hij noemde het circuit dat het inkomende oproepnummer opslaat “recorder” (een andere term is register). En het circuit dat een beschikbare verbinding in het elektriciteitsnet vindt en ‘markeert’, wordt een ‘marker’ genoemd. De auteur patenteerde zijn systeem. Er verschenen verschillende van dergelijke stations in Stockholm en Londen. En in 1918 hoorde Betulander over een Amerikaanse innovatie: de coördinatenwissel, vijf jaar eerder gemaakt door Bell-ingenieur John Reynolds. Deze schakelaar leek erg op het ontwerp van Betulander, maar hij werd gebruikt n+m service relais n+m matrixknooppunten, wat veel handiger was voor de verdere uitbreiding van telefooncentrales. Bij het maken van een verbinding klemde de vasthoudbalk de "vingers" van de pianosnaar vast en bewoog de selectiebalk langs de matrix om verbinding te maken met een ander gesprek. Het jaar daarop verwerkte Betulander dit idee in zijn schakelaarontwerp.
Maar de meeste ingenieurs vonden de creatie van Betulander vreemd en onnodig complex. Toen het tijd werd om een schakelsysteem te selecteren om de netwerken van de grootste steden van Zweden te automatiseren, koos Telegrafverket voor een ontwerp ontwikkeld door Ericsson. Betulander-schakelaars werden alleen gebruikt in kleine telefooncentrales op het platteland: de relais waren betrouwbaarder dan de gemotoriseerde automatisering van Ericsson-schakelaars en er waren geen onderhoudstechnici bij elke centrale nodig.
Amerikaanse telefooningenieurs hadden hierover echter een andere mening. In 1930 kwamen de specialisten van Bell Labs naar Zweden en waren “zeer onder de indruk van de parameters van de coördinatenschakelmodule.” Toen de Amerikanen terugkeerden, begonnen ze onmiddellijk te werken aan wat bekend werd als het nummer 1-coördinatensysteem, ter vervanging van paneelschakelaars in grote steden. In 1938 werden in New York twee van dergelijke systemen geïnstalleerd. Ze werden al snel standaarduitrusting voor stadstelefooncentrales, totdat elektronische schakelaars ze meer dan 30 jaar later vervingen.
Het meest interessante onderdeel van X-Switch nr. 1 was een nieuwe, complexere marker ontwikkeld bij Bell. Het was de bedoeling om via meerdere met elkaar verbonden coördinatenmodules een vrije route te zoeken van de beller naar de gebelde, waardoor een telefoonverbinding tot stand kwam. De marker moest ook elke verbinding testen op de vrij/bezet-status. Dit vereiste de toepassing van voorwaardelijke logica. Zoals historicus Robert Chapuis schreef:
De keuze is voorwaardelijk omdat er alleen sprake is van een vrije aansluiting als deze toegang geeft tot een net dat als uitgang een vrije aansluiting naar het volgende niveau heeft. Als meerdere sets verbindingen aan de gewenste voorwaarden voldoen, selecteert de "preferentiële logica" een van de minste verbindingen...
De coördinatenwissel is een mooi voorbeeld van de kruisbestuiving van technologische ideeën. Betulander creëerde zijn schakelaar met alleen relais, verbeterde deze vervolgens met een Reynolds-schakelmatrix en bewees de prestaties van het resulterende ontwerp. AT&T-ingenieurs hebben deze hybride switch later opnieuw ontworpen, verbeterd en creëerden coördinatensysteem nr. 1. Dit systeem werd vervolgens een onderdeel van twee vroege computers, waarvan er één nu bekend staat als een mijlpaal in de geschiedenis van de computer.
Wiskundige arbeid
Om te begrijpen hoe en waarom relais en hun elektronische neven een revolutie teweegbrachten in de computerwereld, hebben we een kort uitstapje nodig naar de wereld van de calculus. Hierna zal duidelijk worden waarom er een verborgen vraag was naar optimalisatie van computerprocessen.
Aan het begin van de XNUMXe eeuw was het hele systeem van moderne wetenschap en techniek gebaseerd op het werk van duizenden mensen die wiskundige berekeningen uitvoerden. Ze werden gebeld computers (computers) [Om verwarring te voorkomen wordt de term in de gehele tekst gebruikt rekenmachines. - Opmerking. rijbaan]. In de jaren 1820 creëerde Charles Babbage (hoewel zijn apparaat ideologische voorgangers had). De belangrijkste taak was het automatiseren van de constructie van wiskundige tabellen, bijvoorbeeld voor navigatie (berekening van trigonometrische functies door polynomiale benaderingen op 0 graden, 0,01 graden, 0,02 graden, enz.). Er was ook een grote vraag naar wiskundige berekeningen in de astronomie: het was nodig om ruwe resultaten van telescopische waarnemingen in vaste gebieden van de hemelbol te verwerken (afhankelijk van het tijdstip en de datum van waarnemingen) of om de banen van nieuwe objecten te bepalen (bijvoorbeeld Halley's komeet).
Sinds de tijd van Babbage is de behoefte aan computermachines vele malen toegenomen. Elektriciteitsbedrijven moesten inzicht krijgen in het gedrag van energietransmissiesystemen met uiterst complexe dynamische eigenschappen. Stalen kanonnen van Bessemer, die granaten over de horizon konden gooien (en daarom, dankzij directe observatie van het doel, waren ze niet langer gericht), vereisten steeds nauwkeurigere ballistische tabellen. Nieuwe statistische instrumenten die grote hoeveelheden wiskundige berekeningen met zich meebrachten (zoals de methode van de kleinste kwadraten) werden steeds vaker gebruikt, zowel in de wetenschap als in het groeiende overheidsapparaat. Computerafdelingen ontstonden in universiteiten, overheidsinstanties en industriële bedrijven, die doorgaans vrouwen rekruteerden.
Mechanische rekenmachines maakten het rekenprobleem alleen maar eenvoudiger, maar losten het niet op. Rekenmachines versnelden de rekenkundige bewerkingen, maar elk complex wetenschappelijk of technisch probleem vereiste honderden of duizenden bewerkingen, die de (menselijke) rekenmachine elk handmatig moest uitvoeren, waarbij alle tussenresultaten zorgvuldig werden vastgelegd.
Verschillende factoren hebben bijgedragen aan de opkomst van nieuwe benaderingen van het probleem van wiskundige berekeningen. Jonge wetenschappers en ingenieurs, die 's nachts pijnlijk hun taken berekenden, wilden hun handen en ogen rust gunnen. Projectmanagers werden gedwongen steeds meer geld uit te geven aan de salarissen van talloze computers, vooral na de Eerste Wereldoorlog. Ten slotte waren veel geavanceerde wetenschappelijke en technische problemen moeilijk met de hand te berekenen. Al deze factoren leidden tot de creatie van een reeks computers, waaraan werd gewerkt onder leiding van Vannevar Bush, een elektrotechnisch ingenieur aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Differentiële analysator
Tot nu toe is de geschiedenis vaak onpersoonlijk geweest, maar nu zullen we meer over specifieke mensen gaan praten. De roem ging voorbij aan de makers van de paneelschakelaar, het Type E-relais en het referentiemarkeringscircuit. Er zijn zelfs geen biografische anekdotes over hen bewaard gebleven. Het enige publiekelijk beschikbare bewijs van hun leven zijn de fossiele overblijfselen van de machines die ze hebben gemaakt.
We kunnen nu een dieper inzicht krijgen in mensen en hun verleden. Maar we zullen niet langer degenen ontmoeten die hard hebben gewerkt op de zolders en in de werkplaatsen thuis - Morse en Vail, Bell en Watson. Tegen het einde van de Eerste Wereldoorlog was het tijdperk van heroïsche uitvinders bijna voorbij. Thomas Edison kan worden beschouwd als een overgangsfiguur: aan het begin van zijn carrière was hij een ingehuurde uitvinder en tegen het einde ervan werd hij eigenaar van een ‘uitvindingsfabriek’. Tegen die tijd was de ontwikkeling van de meest opmerkelijke nieuwe technologieën het domein van organisaties geworden: universiteiten, onderzoeksafdelingen van bedrijven, overheidslaboratoria. De mensen waar we het in deze sectie over zullen hebben, behoorden tot dergelijke organisaties.
Vannevar Bush bijvoorbeeld. Hij arriveerde in 1919 bij MIT, toen hij 29 jaar oud was. Iets meer dan twintig jaar later was hij een van de mensen die de deelname van de Verenigde Staten aan de Tweede Wereldoorlog beïnvloedde en hielp de overheidsfinanciering te vergroten, wat de relatie tussen overheid, academische wereld en de ontwikkeling van wetenschap en technologie voor altijd veranderde. Maar voor de doeleinden van dit artikel zijn we geïnteresseerd in een reeks machines die vanaf het midden van de jaren twintig in het Bush-laboratorium werden ontwikkeld en bedoeld waren om het probleem van wiskundige berekeningen op te lossen.
MIT, dat onlangs van het centrum van Boston naar de Charles River-waterkant in Cambridge was verhuisd, sloot nauw aan bij de behoeften van de industrie. Bush zelf had, naast zijn hoogleraarschap, financiële belangen in verschillende ondernemingen op elektronicagebied. Het hoeft dus geen verrassing te zijn dat het probleem dat Busch en zijn studenten ertoe bracht aan het nieuwe computerapparaat te werken, zijn oorsprong vond in de energiesector: het simuleren van het gedrag van transmissielijnen onder piekbelastingsomstandigheden. Uiteraard was dit slechts een van de vele mogelijke toepassingen van computers: overal werden vervelende wiskundige berekeningen uitgevoerd.
Busch en zijn collega's bouwden eerst twee machines, product-integrafen genaamd. Maar de beroemdste en meest succesvolle MIT-machine was er nog een: differentiële analysator, voltooid in 1931. Hij loste problemen op met de transmissie van elektriciteit, berekende de banen van elektronen, de banen van kosmische straling in het magnetische veld van de aarde en nog veel meer. Onderzoekers over de hele wereld, die rekenkracht nodig hadden, creëerden in de jaren dertig tientallen kopieën en variaties van de differentiaalanalysator. Sommige zijn zelfs van Meccano (de Engelse analoog van de Amerikaanse kinderbouwsets van het merk). ).
Een differentiaalanalysator is een analoge computer. Wiskundige functies werden berekend met behulp van roterende metalen staven, waarvan de rotatiesnelheid een bepaalde kwantitatieve waarde weerspiegelde. De motor dreef een onafhankelijke staaf aan - een variabele (meestal vertegenwoordigde deze tijd), die op zijn beurt andere staven (verschillende differentiële variabelen) roteerde via mechanische verbindingen, en een functie werd berekend op basis van de ingevoerde rotatiesnelheid. De resultaten van de berekeningen werden in de vorm van curven op papier getekend. De belangrijkste componenten waren de integrators: wielen die als schijven ronddraaiden. Integrators konden de integraal van een curve berekenen zonder vervelende handmatige berekeningen.
Differentiële analysator. Integrale module - met een verhoogd deksel, aan de zijkant van het raam staan tabellen met de resultaten van berekeningen, en in het midden - een set rekenstaven
Geen van de analysatorcomponenten bevatte discrete schakelrelais of digitale schakelaars. Dus waarom hebben we het over dit apparaat? Het antwoord is vierde gezinsauto.
Begin jaren dertig begon Bush de Rockefeller Foundation het hof te maken om financiering te verkrijgen voor de verdere ontwikkeling van de analysator. Warren Weaver, hoofd natuurwetenschappen van de stichting, was aanvankelijk niet overtuigd. Engineering was niet zijn vakgebied. Maar Busch prees het grenzeloze potentieel van zijn nieuwe machine voor wetenschappelijke toepassingen, vooral in de wiskundige biologie, Weavers lievelingsproject. Bush beloofde ook talloze verbeteringen aan de analysator, waaronder "de mogelijkheid om de analysator snel van het ene probleem naar het andere te schakelen, zoals een telefooncentrale." In 1930 werden zijn inspanningen beloond met een subsidie van $ 1936 voor de creatie van een nieuw apparaat, dat later de Rockefeller Differential Analyzer werd genoemd.
Als praktische computer was deze analysator geen grote doorbraak. Bush, die vice-president en decaan van techniek bij MIT werd, kon niet veel tijd besteden aan het sturen van de ontwikkeling. Sterker nog, hij trok zich al snel terug en werd voorzitter van het Carnegie Institution in Washington. Bush voelde dat de oorlog naderde, en hij had verschillende wetenschappelijke en industriële ideeën die in de behoeften van het leger konden voorzien. Dat wil zeggen, hij wilde dichter bij het machtscentrum zijn, waar hij de oplossing van bepaalde kwesties effectiever kon beïnvloeden.
Tegelijkertijd werden de technische problemen die door het nieuwe ontwerp werden gedicteerd, opgelost door het laboratoriumpersoneel, en al snel werden ze afgeleid om aan militaire problemen te werken. De Rockefeller-machine werd pas in 1942 voltooid. Het leger vond het nuttig voor de in-line productie van ballistische tafels voor artillerie. Maar al snel werd dit apparaat puur overschaduwd digitaal computers – die getallen niet als fysieke grootheden weergeven, maar abstract, met behulp van schakelposities. Het gebeurde zo dat de Rockefeller-analysator zelf nogal wat soortgelijke schakelaars gebruikte, bestaande uit relaiscircuits.
Shannon
In 1936 was Claude Shannon nog maar twintig jaar oud, maar hij was al afgestudeerd aan de Universiteit van Michigan met een bachelordiploma in elektrotechniek en wiskunde. Hij werd naar MIT gebracht via een flyer die op een prikbord was vastgemaakt. Vannevar Bush was op zoek naar een nieuwe assistent om aan de differentiaalanalysator te werken. Shannon diende zijn aanvraag zonder aarzeling in en werkte al snel aan nieuwe problemen voordat het nieuwe apparaat vorm begon te krijgen.
Shannon leek in niets op Bush. Hij was noch een zakenman, noch een bouwer van een academisch imperium, noch een bestuurder. Zijn hele leven hield hij van spelletjes, puzzels en amusement: schaken, jongleren, doolhoven, cryptogrammen. Zoals veel mannen uit zijn tijd wijdde Shannon zich tijdens de oorlog aan serieuze zaken: hij bekleedde een functie bij Bell Labs onder een overheidscontract, dat zijn kwetsbare lichaam beschermde tegen militaire dienstplicht. Zijn onderzoek naar vuurleiding en cryptografie gedurende deze periode leidde op zijn beurt tot baanbrekend werk op het gebied van de informatietheorie (waar we niet verder op in zullen gaan). In de jaren vijftig, toen de oorlog en de nasleep ervan voorbij waren, keerde Shannon terug naar het lesgeven aan het MIT, waarbij hij zijn vrije tijd besteedde aan afleiding: een rekenmachine die uitsluitend met Romeinse cijfers werkte; een machine, toen hij werd aangezet, verscheen er een mechanische arm die de machine uitschakelde.
De structuur van de Rockefeller-machine die Shannon tegenkwam was logischerwijs dezelfde als die van de analysator uit 1931, maar was opgebouwd uit totaal verschillende fysieke componenten. Busch realiseerde zich dat de stangen en mechanische tandwielen in oudere machines de efficiëntie van het gebruik ervan verminderden: om berekeningen uit te voeren moest de machine worden ingesteld, wat veel manuren werk vergde door bekwame monteurs.
De nieuwe analysator heeft dit nadeel verloren. Het ontwerp was niet gebaseerd op een tafel met staven, maar op een kruisschijfcommutator, een overtollig prototype geschonken door Bell Labs. In plaats van het vermogen via een centrale as over te brengen, werd elke integrale module onafhankelijk aangedreven door een elektromotor. Om de machine te configureren om een nieuw probleem op te lossen, volstond het eenvoudigweg om de relais in de coördinatenmatrix te configureren om de integratoren in de gewenste volgorde met elkaar te verbinden. Een ponsbandlezer (geleend van een ander telecommunicatieapparaat, het roll-teletype) las de configuratie van de machine, en een relaiscircuit zette het signaal van de band om in besturingssignalen voor de matrix - het leek op het opzetten van een reeks telefoongesprekken tussen integrators.
De nieuwe machine was niet alleen veel sneller en eenvoudiger in te stellen, maar ook sneller en nauwkeuriger dan zijn voorganger. Ze kon complexere problemen oplossen. Tegenwoordig kan deze computer als primitief en zelfs extravagant worden beschouwd, maar in die tijd leek het voor waarnemers dat er een grote – of misschien verschrikkelijke – intelligentie aan het werk was:
Kortom, het is een wiskunderobot. Een elektrisch aangedreven automaat die niet alleen is ontworpen om het menselijk brein te ontlasten van de last van zware berekeningen en analyses, maar ook om wiskundige problemen aan te vallen en op te lossen die niet door de geest kunnen worden opgelost.
Shannon concentreerde zich op het omzetten van gegevens van de papieren rompslomp in instructies voor het "brein", en het relaiscircuit was verantwoordelijk voor deze operatie. Hij merkte de overeenkomst op tussen de structuur van het circuit en de wiskundige structuren van de Booleaanse algebra, die hij studeerde aan de graduate school in Michigan. Dit is een algebra waarvan de operanden waren Goed en fout, en door exploitanten - EN, OF, NIET enz. Algebra die overeenkomt met logische uitspraken.
Nadat hij de zomer van 1937 bij Bell Labs in Manhattan had gewerkt (een ideale plek om na te denken over relaiscircuits), schreef Shannon zijn masterscriptie getiteld 'A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits'. Samen met het werk van Alan Turing het jaar daarvoor vormde Shannons proefschrift de basis van de informatica.
In de jaren veertig en vijftig bouwde Shannon verschillende computer-/logische machines: de THROBAC Romeinse rekenmachine, een schaakeindspelmachine en Theseus, een labyrint waar een elektromechanische muis doorheen bewoog (foto)
Shannon ontdekte dat een systeem van propositionele logische vergelijkingen direct mechanisch kon worden omgezet in een fysiek circuit van relaisschakelaars. Hij concludeerde: ‘Vrijwel elke handeling die in een eindig aantal stappen met woorden kan worden beschreven ALS, EN, OF enz., kunnen automatisch worden uitgevoerd met behulp van een relais.” Twee in serie geschakelde gestuurde schakelrelais vormen bijvoorbeeld een logisch geheel И: Er zal alleen stroom door de hoofddraad stromen als beide elektromagneten worden geactiveerd om de schakelaars te sluiten. Tegelijkertijd zijn twee relais parallel geschakeld ИЛИ: Er vloeit stroom door het hoofdcircuit, geactiveerd door een van de elektromagneten. De uitvoer van zo'n logisch circuit kan op zijn beurt de elektromagneten van andere relais besturen om complexere logische bewerkingen te produceren, zoals (A И B) of (C И G).
Shannon sloot zijn proefschrift af met een bijlage met verschillende voorbeelden van circuits die met zijn methode waren gemaakt. Omdat de bewerkingen van de Booleaanse algebra sterk lijken op rekenkundige bewerkingen in binair getal (dat wil zeggen, met behulp van binaire getallen), liet hij zien hoe een relais kon worden samengevoegd tot een ‘elektrische opteller in binair getal’ – we noemen het een binaire opteller. Een paar maanden later bouwde een van de Bell Labs-wetenschappers zo'n opteller op zijn keukentafel.
Stibitz
George Stibitz, een onderzoeker op de wiskundeafdeling van het hoofdkantoor van Bell Labs in Manhattan, bracht op een donkere novemberavond in 1937 een vreemd stel apparatuur mee naar huis. Droge batterijcellen, twee kleine lampjes voor de hardwarepanelen en een paar platte Type U-relais gevonden in een vuilnisbak. Door een paar draden en wat rommel toe te voegen, assembleerde hij een apparaat dat twee binaire getallen van één cijfer kon optellen (weergegeven door de aan- of afwezigheid van een ingangsspanning) en een tweecijferig getal kon weergeven met behulp van gloeilampen: één voor aan, nul voor uit.
Binaire Stiebitz-opteller
Stiebitz, een natuurkundige van opleiding, werd gevraagd de fysieke eigenschappen van relaismagneten te evalueren. Hij had helemaal geen ervaring met relais en begon daarom het gebruik ervan in Bell-telefooncircuits te bestuderen. George merkte al snel overeenkomsten op tussen sommige circuits en binaire rekenkundige bewerkingen. Geïntrigeerd zette hij zijn zijproject op de keukentafel in elkaar.
Aanvankelijk wekte Stiebitz' gedoe met relais weinig belangstelling onder het management van Bell Labs. Maar in 1938 vroeg het hoofd van de onderzoeksgroep aan George of zijn rekenmachines gebruikt konden worden voor rekenkundige bewerkingen met complexe getallen (bijv. a+biWaar i is de vierkantswortel van een negatief getal). Het bleek dat verschillende computerafdelingen van Bell Labs al kreunden omdat ze voortdurend zulke getallen moesten vermenigvuldigen en delen. Voor het vermenigvuldigen van één complex getal waren vier rekenkundige bewerkingen op een bureaurekenmachine nodig, voor het delen waren 16 bewerkingen nodig. Stibitz zei dat hij het probleem kon oplossen en ontwierp een machinecircuit voor dergelijke berekeningen.
Het uiteindelijke ontwerp, dat door telefooningenieur Samuel Williams in metaal werd belichaamd, heette de Complex Number Computer - of kortweg Complex Computer - en werd gelanceerd in 1940. Voor de berekeningen werden 450 relais gebruikt, tussenresultaten werden opgeslagen in tien coördinatenschakelaars. Gegevens werden ingevoerd en ontvangen met behulp van een roll-teletype. De afdelingen van Bell Labs hebben drie van dergelijke teletypes geïnstalleerd, wat wijst op een grote behoefte aan rekenkracht. Relais, matrix, teletypes - het was in elk opzicht een product van het Bell-systeem.
Het mooiste uur van Complex Computer sloeg op 11 september 1940. Stiebitz presenteerde een rapport over de computer tijdens een bijeenkomst van de American Mathematical Society aan het Dartmouth College. Hij stemde ermee in dat daar een teletype zou worden geïnstalleerd met een telegraafverbinding naar Complex Computer in Manhattan, 400 kilometer verderop. Geïnteresseerden kunnen naar de teletype gaan, de voorwaarden van het probleem op het toetsenbord invoeren en zien hoe de teletype in minder dan een minuut op magische wijze het resultaat afdrukt. Onder degenen die het nieuwe product testten waren John Mauchly en John von Neumann, die elk een belangrijke rol zouden spelen in het voortzetten van ons verhaal.
De deelnemers aan de bijeenkomst zagen een korte glimp van de toekomstige wereld. Later werden computers zo duur dat beheerders het zich niet langer konden veroorloven om ze stil te laten staan terwijl de gebruiker met zijn kin voor de beheerconsole krabde en zich afvroeg wat hij vervolgens moest typen. De komende twintig jaar zullen wetenschappers nadenken over hoe ze computers voor algemeen gebruik kunnen bouwen die altijd klaar staan tot jij er gegevens in invoert, zelfs als je aan iets anders werkt. En dan zullen er nog twintig jaar verstrijken voordat deze interactieve manier van computergebruik aan de orde van de dag wordt.
Stiebitz achter de Dartmouth Interactive Terminal in de jaren zestig. Dartmouth College was een pionier op het gebied van interactief computergebruik. Stiebitz werd in 1960 universiteitsprofessor
Het is verrassend dat Complex Computer, ondanks de problemen die het oplost, naar moderne maatstaven helemaal geen computer is. Het zou rekenkundige bewerkingen op complexe getallen kunnen uitvoeren en waarschijnlijk andere soortgelijke problemen kunnen oplossen, maar geen problemen voor algemene doeleinden. Het was niet programmeerbaar. Hij kon geen operaties in willekeurige volgorde of herhaaldelijk uitvoeren. Het was een rekenmachine die bepaalde berekeningen veel beter kon uitvoeren dan zijn voorgangers.
Met het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog creëerde Bell, onder leiding van Stiebitz, een serie computers genaamd Model II, Model III en Model IV (Complex Computer heette dienovereenkomstig Model I). De meeste ervan werden gebouwd op verzoek van het National Defense Research Committee, en het stond onder leiding van niemand minder dan Vannevar Bush. Stibitz verbeterde het ontwerp van de machines in termen van grotere veelzijdigheid van functies en programmeerbaarheid.
De Ballistic Calculator (later Model III) werd bijvoorbeeld ontwikkeld voor de behoeften van luchtafweervuurleidingssystemen. Het werd in 1944 in gebruik genomen in Fort Bliss, Texas. Het apparaat bevatte 1400 relais en kon een programma van wiskundige bewerkingen uitvoeren, bepaald door een reeks instructies op een lusvormige papieren rompslomp. Een tape met invoergegevens werd afzonderlijk geleverd en tabelgegevens werden afzonderlijk geleverd. Dit maakte het mogelijk om snel de waarden van bijvoorbeeld goniometrische functies te vinden zonder echte berekeningen. Bell-ingenieurs ontwikkelden speciale zoekcircuits (jachtcircuits) die de band vooruit/achteruit scanden en naar het adres van de gewenste tabelwaarde zochten, ongeacht de berekeningen. Stibitz ontdekte dat zijn Model III-computer, die dag en nacht op relais klikte, 25 tot 40 computers verving.
Bell Model III relaisrekken
De Model V-auto had geen tijd meer om militaire dienst te zien. Het is nog veelzijdiger en krachtiger geworden. Als we het aantal computers evalueren dat het verving, was het ongeveer tien keer groter dan Model III. Verschillende computermodules met 9 relais konden invoergegevens ontvangen van verschillende stations, waar gebruikers de voorwaarden van verschillende taken invoerden. Elk van deze stations had één bandlezer voor gegevensinvoer en vijf voor instructies. Dit maakte het mogelijk om bij het berekenen van een taak verschillende subroutines van de hoofdband op te roepen. De hoofdbesturingsmodule (in wezen een analoog van het besturingssysteem) verdeelde instructies over computermodules, afhankelijk van hun beschikbaarheid, en programma's konden voorwaardelijke vertakkingen uitvoeren. Het was niet langer alleen maar een rekenmachine.
Jaar van wonderen: 1937
Het jaar 1937 kan worden beschouwd als een keerpunt in de geschiedenis van de informatica. Dat jaar merkten Shannon en Stibitz overeenkomsten op tussen relaiscircuits en wiskundige functies. Deze bevindingen brachten Bell Labs ertoe een reeks belangrijke digitale machines te creëren. Het was een soort van - of zelfs vervanging - toen een bescheiden telefoonrelais, zonder de fysieke vorm te veranderen, de belichaming werd van abstracte wiskunde en logica.
In hetzelfde jaar in het januarinummer van de publicatie Proceedings van de London Mathematical Society publiceerde een artikel van de Britse wiskundige Alan Turing “Over berekenbare getallen in relatie tot "(Over berekenbare nummers, met een toepassing op het Entscheidungsprobleem). Het beschreef een universele computermachine: de auteur voerde aan dat deze acties kon uitvoeren die logisch gelijkwaardig waren aan de acties van menselijke computers. Turing, die vorig jaar aan de universiteit van Princeton was afgestudeerd, was ook geïntrigeerd door relaiscircuits. En net als Bush maakt hij zich zorgen over de toenemende oorlogsdreiging met Duitsland. Daarom begon hij aan een nevencryptografieproject: een binaire vermenigvuldiger die gebruikt kon worden om militaire communicatie te versleutelen. Turing heeft het gebouwd met relais die in de machinewerkplaats van de universiteit zijn geassembleerd.
Eveneens in 1937 dacht Howard Aiken na over een voorgestelde automatische rekenmachine. Aiken, afgestudeerd elektrotechniek aan Harvard, deed een groot deel van de berekeningen met alleen een mechanische rekenmachine en gedrukte boeken met wiskundetabellen. Hij stelde een ontwerp voor dat deze routine zou elimineren. In tegenstelling tot bestaande computerapparatuur moest het processen automatisch en cyclisch verwerken, waarbij de resultaten van eerdere berekeningen als input voor de volgende werden gebruikt.
Ondertussen onderzocht telecommunicatie-ingenieur Akira Nakashima bij Nippon Electric Company sinds 1935 de verbindingen tussen relaiscircuits en wiskunde. Ten slotte bewees hij in 1938 onafhankelijk de gelijkwaardigheid van relaiscircuits met de Booleaanse algebra, die Shannon een jaar eerder had ontdekt.
In Berlijn zocht Konrad Zuse, een voormalig vliegtuigingenieur die de eindeloze berekeningen op zijn werk beu was, naar geld om een tweede computer te bouwen. Hij kon zijn eerste mechanische apparaat, de V1, niet betrouwbaar laten werken, dus wilde hij een relaiscomputer maken, die hij samen met zijn vriend, telecommunicatie-ingenieur Helmut Schreyer, ontwikkelde.
De veelzijdigheid van telefoonrelais, conclusies over wiskundige logica, de wens van slimme geesten om van geestdodend werk af te komen - dit alles was met elkaar verweven en leidde tot de opkomst van het idee van een nieuw type logische machine.
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 te verschijnen waar de nodige technische expertise bestond. Wiskundige logica werd het latwerk voor de elektrotechniek. Er ontstonden nieuwe vormen van programmeerbare computermachines: de eerste schets van moderne computers.
Naast de machines van Stiebitz konden de VS in 1944 bogen op de Harvard Mark I/IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), een resultaat van het voorstel van Aiken. De dubbele naam ontstond door de verslechtering van de relaties tussen de academische wereld en het bedrijfsleven: iedereen claimde de rechten op het apparaat. De Mark I/ASCC gebruikte relaisbesturingscircuits, maar de belangrijkste rekeneenheid was gebaseerd op de architectuur van mechanische rekenmachines van IBM. Het voertuig is gemaakt voor de behoeften van het Amerikaanse Bureau of Shipbuilding. Zijn opvolger, de Mark II, begon in 1948 te opereren op een testlocatie van de marine, en al zijn activiteiten waren volledig gebaseerd op relais: 13 relais.
Tijdens de oorlog bouwde Zuse verschillende relaiscomputers, die steeds complexer werden. Het hoogtepunt was de V4, die, net als het Bell Model V, instellingen bevatte voor het aanroepen van subroutines en voorwaardelijke vertakkingen uitvoerde. Door materiaaltekorten in Japan werden geen van de ontwerpen van Nakashima en zijn landgenoten in metaal gerealiseerd totdat het land herstelde van de oorlog. In de jaren vijftig financierde het nieuw gevormde ministerie van Buitenlandse Handel en Industrie de oprichting van twee relaismachines, waarvan de tweede een monster was met 1950 relais. Fujitsu, die aan de creatie heeft deelgenomen, heeft zijn eigen commerciële producten ontwikkeld.
Tegenwoordig zijn deze machines bijna volledig vergeten. Er blijft slechts één naam in het geheugen bewaard: ENIAC. De reden voor vergetelheid houdt geen verband met hun complexiteit, mogelijkheden of snelheid. De computationele en logische eigenschappen van relais, ontdekt door wetenschappers en onderzoekers, zijn van toepassing op elk soort apparaat dat als schakelaar kan fungeren. En zo gebeurde het dat er nog een soortgelijk apparaat beschikbaar was - elektronisch een schakelaar die honderden keren sneller zou kunnen werken dan een relais.
Het belang van de Tweede Wereldoorlog in de geschiedenis van de computer zou al duidelijk moeten zijn. De meest verschrikkelijke oorlog werd de aanzet voor de ontwikkeling van elektronische machines. Door de lancering kwamen de middelen vrij die nodig waren om de duidelijke tekortkomingen van elektronische schakelaars te overwinnen. De heerschappij van elektromechanische computers was van korte duur. Net als de Titanen werden ze omvergeworpen door hun kinderen. Net als relais is elektronisch schakelen ontstaan uit de behoeften van de telecommunicatie-industrie. En om erachter te komen waar het vandaan komt, moeten we onze geschiedenis terugspoelen naar een moment aan het begin van het radiotijdperk.
Bron: www.habr.com