Inne artykuły z serii:
- Historia przekaźnika
- Historia komputerów elektronicznych
- Historia tranzystora
- Historia internetu
Jak widzieliśmy w inżynierowie radiowi i telefoniczni w poszukiwaniu mocniejszych wzmacniaczy odkryli nową dziedzinę technologii, którą szybko nazwano elektroniką. Wzmacniacz elektroniczny można łatwo przekształcić w przełącznik cyfrowy, pracujący ze znacznie większymi prędkościami niż jego elektromechaniczny kuzyn, przekaźnik telefoniczny. Ponieważ nie było żadnych części mechanicznych, lampę próżniową można było włączać i wyłączać w ciągu mikrosekundy lub mniej, zamiast dziesięciu milisekund lub więcej wymaganych przez przekaźnik.
W latach 1939–1945 powstały trzy komputery wykorzystujące te nowe komponenty elektroniczne. To nie przypadek, że daty ich budowy zbiegają się z okresem II wojny światowej. Konflikt ten – niespotykany w historii w sposobie, w jaki wprzęgał ludzi w wojenny rydwan – na zawsze zmienił stosunki między państwami oraz między nauką i technologią, a także sprowadził na świat ogromną liczbę nowych urządzeń.
Historie trzech pierwszych komputerów elektronicznych splatają się z wojną. Pierwsza poświęcona była rozszyfrowaniu przekazów niemieckich i pozostawała pod przykrywką tajemnicy aż do lat 1970. XX w., kiedy to nie miała już żadnego innego znaczenia niż historyczne. Drugim, o którym większość czytelników powinna wiedzieć, był ENIAC, kalkulator wojskowy, który został ukończony zbyt późno, aby pomóc w wojnie. Ale tutaj przyjrzymy się najwcześniejszej z tych trzech maszyn, będącej pomysłem .
Atanasow
W 1930 r. Atanasow, urodzony w Ameryce syn emigranta z , w końcu spełnił swoje młodzieńcze marzenie i został fizykiem teoretykiem. Ale jak w przypadku większości takich aspiracji, rzeczywistość nie była taka, jakiej się spodziewał. W szczególności, podobnie jak większość studentów inżynierii i nauk fizycznych w pierwszej połowie XX wieku, Atanasow musiał znosić bolesne ciężary ciągłych obliczeń. Jego rozprawa doktorska na Uniwersytecie Wisconsin na temat polaryzacji helu wymagała ośmiu tygodni żmudnych obliczeń przy użyciu mechanicznego kalkulatora biurkowego.
Jan Atanasow w młodości
W 1935 roku, po przyjęciu stanowiska profesora na Uniwersytecie Iowa, Atanasow postanowił coś zrobić z tym obciążeniem. Zaczął myśleć o możliwych sposobach zbudowania nowego, mocniejszego komputera. Odrzucając metody analogowe (takie jak analizator różnicowy MIT) ze względu na ograniczenia i niedokładność, zdecydował się zbudować maszynę cyfrową, która traktowałaby liczby jako wartości dyskretne, a nie jako pomiary ciągłe. Od młodości znał system liczb binarnych i rozumiał, że znacznie lepiej pasuje on do struktury włączania/wyłączania przełącznika cyfrowego niż zwykłe liczby dziesiętne. Postanowił więc zbudować maszynę binarną. I w końcu zdecydował, że żeby było najszybciej i najbardziej elastycznie, powinno być elektronicznie, a do obliczeń wykorzystywać lampy próżniowe.
Atanasow musiał także określić obszar problemowy – do jakich obliczeń powinien nadawać się jego komputer? W rezultacie zdecydował, że zajmie się rozwiązywaniem układów równań liniowych, sprowadzając je do jednej zmiennej (za pomocą ) – te same obliczenia, które zdominowały jego rozprawę doktorską. Obsługuje do trzydziestu równań, każde z maksymalnie trzydziestoma zmiennymi. Taki komputer mógłby rozwiązywać ważne dla naukowców i inżynierów problemy, a jednocześnie nie wydawałby się niesamowicie skomplikowany.
Dzieło sztuki
W połowie lat trzydziestych technologia elektroniczna stała się niezwykle zróżnicowana w stosunku do swoich początków 1930 lat wcześniej. Dwa rozwiązania szczególnie dobrze pasowały do projektu Atanasowa: przekaźnik wyzwalający i licznik elektroniczny.
Od XIX wieku inżynierowie telegrafowi i telefoniczni mieli do dyspozycji poręczne urządzenie zwane przełącznikiem. Przełącznik to przekaźnik bistabilny, który wykorzystuje magnesy trwałe do utrzymywania go w stanie, w jakim go pozostawiłeś — otwartego lub zamkniętego — do czasu otrzymania sygnału elektrycznego przełączającego stany. Ale lampy próżniowe nie były do tego zdolne. Nie miały elementów mechanicznych i mogły być „otwarte” lub „zamknięte”, gdy prąd przepływał przez obwód lub nie. W 1918 roku dwóch brytyjskich fizyków, William Eccles i Frank Jordan, połączyli dwie lampy przewodami, tworząc „przekaźnik wyzwalający” – przekaźnik elektroniczny, który pozostaje stale włączony po włączeniu przez początkowy impuls. Eccles i Jordan stworzyli swój system do celów telekomunikacyjnych dla Admiralicji Brytyjskiej pod koniec I wojny światowej. Ale obwód Eccles-Jordan, który później stał się znany jako wyzwalacz [ang. flip-flop] można również uznać za urządzenie do przechowywania cyfry binarnej - 1 w przypadku transmisji sygnału i 0 w przeciwnym przypadku. W ten sposób za pomocą n przerzutników możliwe było przedstawienie binarnej liczby n bitów.
Około dziesięć lat po uruchomieniu nastąpił drugi poważny przełom w elektronice, zderzający się ze światem informatyki: liczniki elektroniczne. Po raz kolejny, jak to często bywało we wczesnej historii informatyki, nuda stała się matką wynalazków. Fizycy badający emisję cząstek subatomowych musieli albo nasłuchiwać kliknięć, albo spędzać godziny na studiowaniu zapisów fotograficznych, licząc liczbę detekcji w celu pomiaru szybkości emisji cząstek z różnych substancji. Liczniki mechaniczne lub elektromechaniczne były kuszącą opcją ułatwiającą te działania, ale działały zbyt wolno: nie były w stanie zarejestrować wielu zdarzeń, które miały miejsce w odstępie milisekund.
Kluczową postacią w rozwiązaniu tego problemu był , który pracował pod kierunkiem Ernesta Rutherforda w Cavendish Laboratory w Cambridge. Wynne-Williams miał smykałkę do elektroniki i już używał lamp (lub zaworów, jak je nazywano w Wielkiej Brytanii) do tworzenia wzmacniaczy, które umożliwiały usłyszenie, co dzieje się z cząsteczkami. Na początku lat trzydziestych XX wieku zdał sobie sprawę, że zawory można wykorzystać do stworzenia licznika, który nazwał „licznikiem ze skalą binarną”, czyli licznikiem binarnym. Zasadniczo był to zestaw przerzutników, które mogły przenosić przełączniki w górę łańcucha (w praktyce stosowano , rodzaje lamp zawierających nie próżnię, ale gaz, który może pozostać w pozycji włączonej po całkowitej jonizacji gazu).
Licznik Wynne-Williamsa szybko stał się jednym z niezbędnych urządzeń laboratoryjnych dla każdego, kto zajmuje się fizyką cząstek elementarnych. Fizycy zbudowali bardzo małe liczniki, często zawierające trzy cyfry (to znaczy zdolne do liczenia do siedmiu). dla powolnego licznika mechanicznego oraz do rejestrowania zdarzeń zachodzących szybciej niż mógłby zarejestrować miernik z wolno poruszającymi się częściami mechanicznymi.
Ale teoretycznie takie liczniki można rozszerzyć na liczby o dowolnej wielkości i precyzji. Były to, ściśle rzecz biorąc, pierwsze cyfrowe, elektroniczne maszyny liczące.
Komputer Atanasowa-Berry'ego
Atanasow znał tę historię, co przekonało go o możliwości zbudowania komputera elektronicznego. Ale nie używał bezpośrednio liczników binarnych ani przerzutników. Początkowo, jako podstawę systemu liczenia, próbował zastosować nieco zmodyfikowane liczniki – w końcu czym jest dodawanie, jeśli nie liczeniem powtarzalnym? Ale z jakiegoś powodu nie był w stanie zapewnić wystarczającej niezawodności obwodów zliczających i musiał opracować własne obwody dodawania i mnożenia. Nie mógł używać przerzutników do tymczasowego przechowywania liczb binarnych, ponieważ miał ograniczony budżet i ambitny cel przechowywania trzydziestu współczynników jednocześnie. Jak się wkrótce przekonamy, sytuacja ta miała poważne konsekwencje.
W 1939 roku Atanasow zakończył projektowanie swojego komputera. Teraz potrzebował kogoś z odpowiednią wiedzą, aby go zbudować. Znalazł taką osobę u absolwenta inżynierii Iowa State Institute, Clifforda Berry’ego. Pod koniec roku Atanasow i Berry zbudowali mały prototyp. W następnym roku ukończyli pełną wersję komputera z trzydziestoma współczynnikami. W latach sześćdziesiątych pisarz, który dokopał się do ich historii, nazwał go komputerem Atanasoff-Berry (ABC) i nazwa się przyjęła. Nie udało się jednak wyeliminować wszystkich niedociągnięć. W szczególności w przypadku ABC wystąpił błąd wynoszący około jednej cyfry binarnej na 1960 10000, co byłoby fatalne w przypadku jakichkolwiek dużych obliczeń.
Clifford Berry i ABC w 1942 roku
Jednak w Atanasowie i jego ABC można odnaleźć korzenie i źródło wszystkich współczesnych komputerów. Czy to nie on stworzył (przy pomocy Berry'ego) pierwszy binarny elektroniczny komputer cyfrowy? Czyż nie są to podstawowe cechy miliardów urządzeń, które kształtują i napędzają gospodarki, społeczeństwa i kultury na całym świecie?
Ale wróćmy. Przymiotniki cyfrowy i binarny nie są domeną ABC. Na przykład opracowany mniej więcej w tym samym czasie komputer Bell Complex Number Computer (CNC) był cyfrowym, binarnym komputerem elektromechanicznym zdolnym do wykonywania obliczeń na płaszczyźnie zespolonej. Ponadto ABC i CNC były podobne w tym sensie, że rozwiązywały problemy na ograniczonym obszarze i nie mogły, w przeciwieństwie do współczesnych komputerów, akceptować dowolnej sekwencji instrukcji.
Pozostaje „elektroniczne”. Chociaż matematyczne wnętrzności ABC były elektroniczne, działały one z szybkościami elektromechanicznymi. Ponieważ Atanasov i Berry ze względów finansowych nie mogli używać lamp próżniowych do przechowywania tysięcy cyfr binarnych, wykorzystali do tego komponenty elektromechaniczne. Kilkaset triod wykonujących podstawowe obliczenia matematyczne otoczone było obracającymi się bębnami i wirującymi wykrawarkami, w których przechowywano wartości pośrednie wszystkich kroków obliczeniowych.
Atanasow i Berry wykonali heroiczną robotę, czytając i zapisując dane na dziurkowanych kartach z ogromną szybkością, spalając je elektrycznie, zamiast dziurkować mechanicznie. Ale to doprowadziło do własnych problemów: to płonący aparat był odpowiedzialny za 1 błąd na 10000 1990 liczb. Co więcej, nawet w najlepszym przypadku maszyna nie mogła „dziurkować” szybciej niż jedną linię na sekundę, więc ABC mogło wykonywać tylko jedno obliczenia na sekundę przy użyciu każdej ze swoich trzydziestu jednostek arytmetycznych. Przez resztę czasu lampy próżniowe stały bezczynnie, niecierpliwie „bębniąc palcami po stole”, podczas gdy cała ta maszyneria kręciła się wokół nich boleśnie powoli. Atanasow i Berry zaprzężyli rasowego konia do wozu z sianem. (Lider projektu odtworzenia ABC w latach XNUMX. oszacował maksymalną prędkość maszyny, biorąc pod uwagę cały czas spędzony, łącznie z pracą operatora nad określeniem zadania, na pięć dodawania lub odejmowania na sekundę. To oczywiście jest szybszy niż ludzki komputer, ale nie z tą samą prędkością, którą kojarzymy z komputerami elektronicznymi.)
Schemat ABC. Bębny przechowywały tymczasowe wejście i wyjście na kondensatorach. Układ wykrawania karty tyratronowej oraz czytnik kart rejestrowały i odczytywały wyniki całego etapu algorytmu (eliminując jedną ze zmiennych z układu równań).
Prace nad ABC utknęły w martwym punkcie w połowie 1942 r., kiedy Atanasoff i Berry dołączyli do szybko rozwijającej się amerykańskiej machiny wojennej, która wymagała zarówno mózgów, jak i ciał. Atanasow został wezwany do Laboratorium Uzbrojenia Marynarki Wojennej w Waszyngtonie, aby poprowadzić zespół opracowujący miny akustyczne. Berry poślubiła sekretarkę Atanasowa i znalazła pracę w wojskowej firmie kontraktowej w Kalifornii, aby uniknąć wcielenia do wojny. Atanasow przez jakiś czas próbował opatentować swoje dzieło w stanie Iowa, ale bezskutecznie. Po wojnie zajął się innymi sprawami i nie zajmował się już na poważnie komputerami. Sam komputer w 1948 roku trafił na wysypisko śmieci, aby zrobić miejsce w biurze dla nowego absolwenta instytutu.
Być może Atanasow po prostu zaczął pracować zbyt wcześnie. Utrzymywał się ze skromnych stypendiów uniwersyteckich i mógł wydać zaledwie kilka tysięcy dolarów na stworzenie ABC, więc oszczędność w jego projekcie przeważyła nad wszystkimi innymi kwestiami. Gdyby poczekał do początku lat czterdziestych XX wieku, być może otrzymałby rządową dotację na pełnoprawne urządzenie elektroniczne. I w tym stanie – ograniczonym w użyciu, trudnym do kontrolowania, zawodnym i niezbyt szybkim – ABC nie było obiecującą reklamą korzyści płynących z informatyki elektronicznej. Amerykańska machina wojenna, pomimo całego swojego głodu obliczeniowego, pozostawiła ABC zardzewiałe w mieście Ames w stanie Iowa.
Obliczeniowe maszyny wojenne
Pierwsza wojna światowa stworzyła i uruchomiła system masowych inwestycji w naukę i technologię oraz przygotowała go na drugą wojnę światową. W ciągu zaledwie kilku lat praktyka wojenna na lądzie i morzu zmieniła się w stosowanie trujących gazów, min magnetycznych, rozpoznania powietrznego i bombardowań i tak dalej. Żaden przywódca polityczny ani wojskowy nie mógł nie zauważyć tak szybkich zmian. Działały tak szybko, że badania rozpoczęte wystarczająco wcześnie mogły przechylić szalę w jedną lub drugą stronę.
Stany Zjednoczone miały mnóstwo materiałów i mózgów (z których wielu uciekło z hitlerowskich Niemiec) i trzymały się z daleka od bezpośrednich bitew o przetrwanie i dominację, toczących się w innych krajach. Dzięki temu kraj szczególnie wyraźnie odrobił tę lekcję. Przejawiało się to w tym, że w stworzenie pierwszej broni atomowej przeznaczono ogromne zasoby przemysłowe i intelektualne. Mniej znaną, ale równie ważną lub mniejszą inwestycją była inwestycja w technologię radarową skupioną w Rad Lab w MIT.
Tak więc rodząca się dziedzina automatycznego przetwarzania danych otrzymała swoją część funduszy wojskowych, choć na znacznie mniejszą skalę. Zauważyliśmy już różnorodność elektromechanicznych projektów obliczeniowych generowanych przez wojnę. Potencjał komputerów przekaźnikowych był stosunkowo znany, gdyż centrale telefoniczne z tysiącami przekaźników funkcjonowały już od wielu lat. Komponenty elektroniczne nie udowodniły jeszcze swojej wydajności na taką skalę. Większość ekspertów uważała, że komputer elektroniczny z pewnością byłby zawodny (przykładem było ABC) lub jego budowa zajęłaby zbyt dużo czasu. Pomimo nagłego napływu pieniędzy rządowych, wojskowe projekty komputerowe były nieliczne. Uruchomiono tylko trzy, a tylko dwa z nich zaowocowały sprawnymi maszynami.
W Niemczech inżynier telekomunikacji Helmut Schreyer udowodnił swojemu przyjacielowi Konradowi Zuse wartość maszyny elektronicznej w stosunku do elektromechanicznego „V3”, który Zuse budował dla przemysłu lotniczego (później znanego jako Z3). Zuse ostatecznie zgodził się pracować ze Schreyerem nad drugim projektem, a Instytut Badań Lotniczych zaproponował pod koniec 100 roku sfinansowanie 1941-rurowego prototypu. Jednak obaj mężczyźni najpierw podjęli się pracy wojennej o wyższym priorytecie, a następnie ich praca została poważnie spowolniona przez zniszczenia bombowe, przez co nie byli w stanie zapewnić niezawodnej pracy maszyny.
Zuse (po prawej) i Schreyer (po lewej) pracują nad komputerem elektromechanicznym w berlińskim mieszkaniu rodziców Zuse
Pierwszy komputer elektroniczny, który wykonał pożyteczną pracę, powstał w tajnym laboratorium w Wielkiej Brytanii, gdzie inżynier telekomunikacji zaproponował radykalnie nowe podejście do kryptoanalizy opartej na zaworach. Następnym razem ujawnimy tę historię.
Co jeszcze warto przeczytać:
• Alice R. Burks i Arthur W. Burks, Pierwszy komputer elektroniczny: historia Atansoffa (1988)
• David Ritchie, Pionierzy komputerów (1986)
• Jane Smiley, Człowiek, który wynalazł komputer (2010)
Źródło: www.habr.com