W naszej opisywana była epoka automatycznych central telefonicznych, którymi zarządzano za pomocą schematów przekaźnikowych. Tym razem chcemy opowiedzieć o tym, jak naukowcy i inżynierowie opracowywali schematy przekaźnikowe w pierwszej - dziś już zapomnianej - generacji cyfrowych komputerów.
Przekaźniki w zenicie
Jeśli pamiętacie, działanie przekaźników opiera się na prostym zasadzie: elektromagnes porusza metalowym przełącznikiem. Pomysł przekaźnika w latach 30. XIX wieku niezależnie od siebie zaproponowało kilku naukowców i przedsiębiorców w dziedzinie telegrafii. Następnie w połowie XIX wieku wynalazcy i mechanicy przekształcili przekaźniki w niezawodny i niezastąpiony element sieci telegraficznych. To właśnie w tej dziedzinie życie przekaźników osiągnęło zenit: zostały one zminiaturyzowane, a pokolenia inżynierów stworzyły niezliczone konstrukcje, formalnie ucząc się matematyki i fizyki.
Na początku XX wieku nie tylko automatyczne systemy przełączające, ale i praktycznie całe wyposażenie sieci telefonicznych zawierało różne rodzaje przekaźników. Jedno z najwcześniejszych zastosowań w telefonii odnosi się do lat 70. XIX wieku, w ręcznych centralach telefonicznych. Kiedy abonent kręcił korbką telefonu (korbką magneto), do centrali telefonicznej docierał sygnał, uruchamiający przekaźnik. Przekaźnik - to urządzenie, które w momencie aktywacji powodowało opadnięcie metalowej zasłony na stole przełączającym u operatora telefonicznego, co sygnalizowało przychodzące połączenie. Wówczas operator wtykał wtyczkę do gniazda, przekaźnik się resetował, po czym można było ponownie podnieść zasłonę, którą w takim położeniu utrzymywał elektromagnes.
Do 1924 roku, jak pisali dwaj inżynierowie firmy Bell, typowa ręczna centrala telefoniczna obsługiwała około 10 tysięcy abonentów. W jej wyposażeniu znajdowało się 40—65 tysięcy przekaźników, których łączna siła magnetyczna była "wystarczająca do podniesienia 10 ton". W większych centralach telefonicznych z centralami maszynowymi te parametry mnożono przez dwa. W całym systemie telefonicznym Stanów Zjednoczonych używano wielu milionów przekaźników, a ich liczba stale wzrastała w miarę automatyzacji central telefonicznych. Jedno połączenie telefoniczne mogło być obsługiwane od kilku do kilku setek przekaźników - w zależności od liczby i wyposażenia zaangażowanych central telefonicznych.
Fabryki firmy Western Electric, stanowiącej część korporacji Bell, produkowały ogromny asortyment przekaźników. Inżynierowie stworzyli tyle modyfikacji, że tymu różnorodnemu asortymentowi moglibyśmy pozazdrościć nawet najbardziej wymagający hodowcy psów czy gołębi. Szybkość działania i czułość przekaźników były optymalizowane, a ich rozmiary zmniejszały się. W 1921 roku Western Electric wyprodukowała prawie 5 milionów przekaźników 100 głównych typów. Najbardziej powszechny był uniwersalny przekaźnik typu E, płaskie, praktycznie prostokątne urządzenie, ważące kilka dziesiątków gramów. W większości był on wykonywany z tłoczonych części metalowych, co czyniło go technologicznym w produkcji. Obudowa chroniła styki przed kurzem oraz zakłóceniami z sąsiednich urządzeń: przeważnie przekaźniki montowane były blisko siebie, w szafach zawierających setki i tysiące przekaźników. Łącznie opracowano 3 tysiące wariantów typu E, z których każdy różnił się konfiguracjami nawinięcia i styków.
Wkrótce te przekaźniki zaczęły być wykorzystywane w najbardziej skomplikowanych switchach.
Switch współrzędnościowy
W 1910 roku Gotthilf Betulander, inżynier z Royal Telegrafverket — państwowego przedsiębiorstwa kontrolującego dużą część szwedzkiego rynku telefonicznego (przez dekady niemal cały) — wpadł na pomysł. Wierzył, że może znacznie poprawić efektywność operacji Telegrafverket poprzez budowę automatycznych systemów przełączających, całkowicie opartych na przekaźnikach. Dokładniej mówiąc, na matrycach przekaźników: siatkach ze stalowych prętów, podłączonych do linii telefonicznych, z przekaźnikami w miejscach ich przecięcia. Taki switch powinien działać szybciej, niezawodniej i być łatwiejszy w obsłudze w porównaniu do systemów opartych na stykach przesuwnych lub obrotowych.
Co więcej, Betulander wpadł na pomysł, że można wydzielić części systemu, odpowiedzialne za wybór i zestawienie, w niezależne układy przekaźnikowe. A pozostała część systemu powinna być wykorzystywana tylko do zestawienia kanału głosowego, a następnie uwalniana do obsługi innego połączenia. Oznacza to, że Betulander doszedł do idei, która później została nazwana „wspólnym sterowaniem” (common control).
Schemat, który przechowuje numer przychodzącego połączenia, nazwano „rekorderem” (inny termin to rejestr). A schemat, który znajduje w siatce i „oznacza” dostępne połączenie, nazwano „markerem”. Autor opatentował swój system. Kilka takich stacji powstało w Sztokholmie i Londynie. A w 1918 roku Betulander dowiedział się o amerykańskiej nowince: koordynacyjnym przełączniku, stworzonym przez inżyniera Bella, Johna Reynoldsa, pięć lat wcześniej. Ten przełącznik bardzo przypominał opracowanie Betulandera, lecz w nim użyto n + m przekaźnika do obsługi n + m węzłów matrycy, co było znacznie wygodniejsze dla dalszej rozbudowy telefonicznych stacji. Podczas nawiązywania połączenia, prowadnica zaciskała „palce” z fortepianowych strun, a prowadnica wybierająca poruszała się po matrycy, aby połączyć się z innym połączeniem. W następnym roku Betulander wdrożył ten pomysł w konstrukcji swojego przełącznika.
Jednak większość inżynierów uważała twór Betulandera za dziwny i nadmiernie skomplikowany. Gdy nadszedł czas wyboru systemu przełączania do automatyzacji sieci największych szwedzkich miast, Telegrafverket zdecydowało się na konstrukcję opracowaną w firmie Ericsson. Przełączniki Betulandera były używane tylko w małych stacjach telefonicznych na terenach wiejskich: przekaźniki były bardziej niezawodne niż zautomatyzowana automatyka przełączników Ericssona i nie wymagały techników obsługujących na każdej stacji.
Jednak amerykańscy inżynierowie telefoniczni mieli na ten temat inne zdanie. W 1930 roku specjaliści Bell Labs przyjechali do Szwecji i byli „bardzo pod wrażeniem parametrów modułu koordynacyjnego przełącznika”. Po powrocie Amerykanie natychmiast zaczęli pracować nad tym, co potem stało się znane jako „system koordynacyjny nr 1”, który zastąpił przełączniki panelowe w dużych miastach. Do 1938 roku dwie takie systemy zostały zainstalowane w Nowym Jorku. Wkrótce stały się standardowym wyposażeniem miejskich stacji telefonicznych, aż ponad 30 lat później zastąpiły je elektroniczne przełączniki.
Najciekawszym komponentem przełącznika współrzędnych nr 1 był nowy, bardziej złożony znacznik, opracowany w Bell. Miał on na celu poszukiwanie wolnej trasy od dzwoniącego do odbieranego, poprzez kilka połączonych ze sobą modułów współrzędnych, dzięki czemu tworzono połączenie telefoniczne. Znacznik miał również testować każde połączenie na stan „wolne”/„zajęte”. Wymagało to zastosowania logiki warunkowej. Jak napisał historyk Robert Chapuis:
Wybór jest warunkowy, ponieważ wolne połączenie jest utrzymywane tylko w przypadku, gdy zapewnia dostęp do szyny współrzędnych, która ma jako wyjście wolne połączenie z następnym poziomem. Jeśli kilka zestawów połączeń spełnia wymagane warunki, to „logika priorytetowa” wybiera jedno z [istniejących] najmniejszych połączeń...
Przełącznik współrzędny to doskonały przykład wzajemnego wzbogacania się idei technologicznych. Betulander stworzył swój całkowicie przekaźnikowy przełącznik, a następnie ulepszył go matrycą przełączającą Reynoldsa i udowodnił funkcjonalność powstałej konstrukcji. Inżynierowie AT&T później przerobili ten hybrydowy przełącznik, ulepszyli go i stworzyli system współrzędny nr 1. Następnie system ten stał się komponentem dwóch wczesnych maszyn obliczeniowych, z których jedna jest obecnie znana jako kamień milowy w historii informatyki.
Obliczenia matematyczne (Mathematical labor)
Aby zrozumieć, jak i dlaczego przekaźniki oraz ich elektroniczne kuzyni zrewolucjonizowali informatykę, potrzebujemy krótkiego wprowadzenia do świata obliczeń matematycznych. Po nim zrozumiemy, dlaczego pojawił się ukryty popyt na optymalizację procesów obliczeniowych.
Na początku XX wieku cały system nowoczesnej nauki i inżynierii opierał się na pracy tysięcy ludzi wykonujących obliczenia matematyczne. Nazywano ich komputerami (computers) [Aby uniknąć nieporozumień, w dalszej części tekstu będzie używany termin obliczniki. — Przyp. red.] Jeszcze w latach 20. Charles Babbage stworzył (chociaż jego urządzenie miało teoretycznych poprzedników). Jego głównym zadaniem była automatyzacja tworzenia tabel matematycznych, np. do nawigacji (obliczanie funkcji trygonometrycznych za pomocą aproksymacji wielomianowych przy 0 stopniach, 0,01 stopnia, 0,02 stopnia itd.). Również w astronomii istniało duże zapotrzebowanie na obliczenia matematyczne: konieczne było przetwarzanie surowych wyników obserwacji teleskopowych w stałych obszarach nieboskłonu (w zależności od czasu i daty obserwacji) lub określanie orbit nowych obiektów (na przykład komet Halleya).
Od czasów Babbage'a zapotrzebowanie na maszyny obliczeniowe wzrosło wielokrotnie. Firmy energetyczne musiały zrozumieć zachowanie magistralnych systemów przesyłania energii o niezwykle skomplikowanych właściwościach dynamicznych. Działa wykonane ze stali Bessemera, zdolne do wystrzeliwania pocisków za horyzont (a zatem nie były już celowane dzięki bezpośredniemu obserwowaniu celu), wymagały coraz dokładniejszych tabel balistycznych. Nowe narzędzia statystyczne, wymagające dużej ilości obliczeń matematycznych (np. metoda najmniejszych kwadratów), były coraz szerzej stosowane zarówno w nauce, jak i w rosnącym aparacie państwowym. W uniwersytetach, instytucjach rządowych i korporacjach przemysłowych powstawały działy obliczeniowe, w których w większości zatrudniano kobiety.
Mechaniczne kalkulatory jedynie ułatwiły zadanie obliczeń, a nie rozwiązały go. Kalkulatory przyspieszyły operacje arytmetyczne, ale jakiekolwiek skomplikowane zadania naukowe lub inżynieryjne wymagały setek lub tysięcy operacji, z których każdą musiał wykonać obliczyciel (człowiek) ręcznie, starannie zapisując wszystkie wyniki pośrednie.
Pojawieniu się nowych podejść do problemu obliczeń matematycznych sprzyjało kilka czynników. Młodzi naukowcy i inżynierowie, męcząco obliczający nocami swoje zadania, chcieli dać odpocząć rękom i oczom. Kierownicy projektów byli zmuszeni przeznaczać coraz więcej środków na wynagrodzenia licznych obliczeniowców, szczególnie po I wojnie światowej. Wreszcie, wiele zaawansowanych zadań naukowych i inżynieryjnych z trudnością poddawało się ręcznemu obliczaniu. Wszystkie te czynniki doprowadziły do stworzenia serii maszyn obliczeniowych, nad którymi prace prowadził Vannevar Bush — inżynier elektryk z Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Analizator różnicowy
Do tego momentu historia często była bezosobowa, ale teraz zaczniemy więcej mówić o konkretnych ludziach. Sława ominęła twórców przełącznika panelowego, przekaźnika typu E i schematu znaku współrzędnych. Nie zachowały się nawet anegdoty biograficzne na ich temat. Jedynymi publicznie dostępnymi świadectwami ich życia są skamieniałości stworzonych przez nich maszyn.
Teraz możemy uzyskać głębszy wgląd w ludzi i ich przeszłość. Ale nie napotkamy już tych, którzy pracowali gorliwie na strychach i w warsztatach u siebie w domu — Morze, Weila, Bella i Watsona. Pod koniec I wojny światowej era bohaterskich wynalazców niemal dobiegła końca. Thomasa Edisona można uznać za postać przejściową: na początku kariery był zatrudnionym wynalazcą, a pod koniec stał się właścicielem „fabryki wynalazków”. W tym czasie opracowywanie najbardziej zauważalnych nowych technologii stało się domeną organizacji — uniwersytetów, działów badawczych korporacji, laboratoriów rządowych. Osoby, o których będziemy mówić w tej części, należały właśnie do takich organizacji.
Na przykład Vannevar Bush. Przybył na MIT w 1919 roku, mając 29 lat. Po nieco ponad 20 latach znalazł się w gronie osób, które wpłynęły na zaangażowanie USA w II wojnę światową i pomógł zwiększyć finansowanie publiczne, co na zawsze zmieniło relacje między rządem, środowiskiem akademickim a rozwojem nauki i technologii. W ramach artykułu interesuje nas jednak seria maszyn, które były rozwijane w laboratorium Busha od połowy lat 20. XX wieku i miały na celu rozwiązanie problemu obliczeń matematycznych.
MIT, które niedawno przeniosło się z centralnego Bostonu na brzeg rzeki Charles w Cambridge, było ściśle związane z potrzebami przemysłu. Sam Bush oprócz działalności akademickiej miał interesy finansowe w kilku firmach zajmujących się elektroniką. Dlatego nie powinno dziwić, że problem, który skłonił Busha i jego studentów do pracy nad nowym urządzeniem obliczeniowym, pojawił się w przemyśle energetycznym: konieczne było modelowanie zachowań głównych linii przesyłowych pod kątem szczytowego obciążenia. Oczywiście był to tylko jeden z wielu możliwych zastosowań maszyn obliczeniowych: żmudne obliczenia matematyczne były prowadzone wszędzie.
Bush i jego koledzy najpierw zbudowali dwie maszyny, które nazwali produkcyjnymi integrafami (product integraphs). Jednak najbardziej znaną i udaną maszyną MIT stała się inna — analityk różnicowy, ukończona w 1931 roku. Rozwiązywała problemy związane z przesyłem energii elektrycznej, obliczała orbity elektronów, trajektorie promieniowania kosmicznego w polu magnetycznym Ziemi i wiele więcej. Badacze z całego świata, którzy potrzebowali mocy obliczeniowej, stworzyli w latach 30. dziesiątki kopii i wariantów analizatora różnicowego. Niektóre — nawet z Meccano (angielskiego odpowiednika amerykańskich klocków konstrukcyjnych marki ).
Analizator różnicowy to komputer analogowy. Funkcje matematyczne były obliczane za pomocą obracających się metalowych prętów, gdzie prędkość obrotu każdego z nich odzwierciedlała jakąś wartość ilościową. Silnik napędzał niezależny pręt - zmienną (zwykle reprezentującą czas), który z kolei, za pomocą połączeń mechanicznych, obracał inne pręty (różne zmienne różnicowe), a na podstawie wejściowej prędkości obrotowej obliczana była funkcja. Wyniki obliczeń były rysowane na papierze w postaci krzywych. Najważniejszymi komponentami były integratory - koła obracające się dyskami. Integratory mogły obliczać całkę krzywej bez męczących ręcznych obliczeń.
Analizator różnicowy. Moduł integracyjny - z podniesioną pokrywą, od strony okna znajdują się stoły z wynikami obliczeń, a pośrodku - zespół obliczeniowych prętów.
Żaden z komponentów analizatora nie zawierał dyskretnych przekaźników przełączających ani żadnych cyfrowych przełączników. Dlaczego więc o tym urządzeniu mówimy? Odpowiedź daje czwarty maszyna rodziny.
Na początku lat 30. Bush zaczął zabiegać o fundusze od Fundacji Rockefellera, aby zapewnić finansowanie dla dalszego rozwoju analizatora. Nie udało mu się początkowo przekonać Warrena Weaver'a, szefa działu nauk przyrodniczych fundacji. Inżynieria nie leżała w jego kompetencjach. Jednak Bush rozreklamował nieskończony potencjał swojej nowej maszyny w zastosowaniach naukowych - szczególnie w matematycznej biologii, ulubionym projekcie Weavera. Bush obiecał także liczne usprawnienia analizatora, w tym „możliwość szybkiego przełączania analizatora z jednego problemu na inny, jak w telefonicznym przełączniku”. W 1936 roku jego wysiłki zostały nagrodzone dotacją w wysokości 85 tysięcy dolarów, przeznaczoną na stworzenie nowego urządzenia, które później nazwano analizatorem różnicowym Rockefellera.
Jako praktyczny obliczeniowiec, ten analizator nie był wyjątkowym przełomem. Bush, który został wiceprezydentem MIT i dziekanem wydziału inżynierii, nie mógł poświęcić zbyt wiele czasu na kierowanie pracami nad rozwojem. Właściwie niedługo później sam się wycofał, zajmując się obowiązkami przewodniczącego Instytutu Carnegie w Waszyngtonie. Bush odczuwał zbliżającą się wojnę i miał kilka naukowych oraz produkcyjnych pomysłów, które mogłyby służyć potrzebom sił zbrojnych. Chciał być bliżej centrum decyzji, gdzie mógłby skuteczniej wpływać na rozwiązanie różnych kwestii.
Jednak w międzyczasie problemy techniczne, dyktowane nową konstrukcją, były rozwiązywane przez pracowników laboratorium, którzy wkrótce zaczęli być odciągani do pracy nad zadaniami wojskowymi. Maszyna Rockefellera została ukończona dopiero w 1942 roku. Wojsko uznało ją za przydatną do produkcji tabel balistycznych dla artylerii. Ale wkrótce to urządzenie zostało przyćmione przez czysto cyfrowe komputery — które przedstawiały liczby nie jako fizyczne wielkości, ale abstrakcyjnie, za pomocą pozycji przełączników. Tak się złożyło, że w samym analizatorze Rockefellera używano dość dużej liczby takich przełączników, składających się z układów przekaźnikowych.
Shannon
W 1936 roku Claude Shannon miał zaledwie 20 lat, ale już ukończył Uniwersytet Michigan z tytułem licencjata w dwóch specjalnościach: inżynierii elektrycznej i matematyce. Do MIT przyciągnął go plakat reklamowy przyczepiony do tablicy ogłoszeń. Vannevar Bush poszukiwał nowego asystenta do pracy nad różnicowym analizatorem. Shannon bez wahania zgłosił się i wkrótce zaczął pracować nad nowymi problemami, a dopiero potem nowe urządzenie zaczęło przybierać formę.
Shannon zdecydowanie nie przypominał Busha. Nie był ani przedsiębiorcą, ani budowniczym akademickiej imperium, ani administratorem. Przez całe życie lubił gry, łamigłówki i rozrywki: szachy, żonglowanie, labirynty, kryptogramy. Podobnie jak wielu mężczyzn z jego epoki, podczas wojny Shannon poświęcił się poważnej sprawie: w Bell Labs pełnił funkcję kontraktową dla rządu, co uchroniło jego kruche ciało przed powołaniem do wojska. Jego badania w dziedzinie zarządzania ogniem i kryptografii w tym okresie doprowadziły z kolei do powstania fundamentalnej pracy na temat teorii informacji (nie będziemy jej omawiać). W latach 50-tych, kiedy wojna i jej następstwa osłabły, Shannon wrócił do nauczania w MIT, spędzając wolny czas na rozrywkach: kalkulator działający wyłącznie na cyfrach rzymskich; maszyna, z której przy włączeniu wychodziła mechaniczna ręka, aby ją wyłączyć.
Struktura maszyny Rockefellerów, z którą zmierzył się Shannon, logicznie pozostała taka sama jak w analizatorze z 1931 roku, ale była zbudowana z zupełnie innych komponentów fizycznych. Bush zrozumiał, że pręty i mechaniczne przekładnie w starych maszynach obniżały efektywność ich użycia: aby wykonać obliczenia, należało dostosować maszynę, co wymagało wielu roboczych godzin wykwalifikowanych mechaników.
Nowy analizator pozbył się tej wady. W jego konstrukcji nie było stołu z prętami, lecz przełącznik współrzędnych — dodatkowy prototyp, ofiarowany przez Bell Labs. Zamiast przenosić moc z centralnego wału, każdy moduł integralny był niezależnie napędzany silnikiem elektrycznym. Aby dostosować maszynę do rozwiązania nowego zadania, wystarczyło po prostu skonfigurować przekaźniki w macierzy współrzędnych, aby połączyć integratory w potrzebnej kolejności. Czytnik taśmy perforowanej (pożyczony z innego urządzenia telekomunikacyjnego, taśmy telegrafu) odczytywał konfigurację maszyny, a układ przekaźników przekształcał sygnał z taśmy w sygnały sterujące dla macierzy — przypominało to ustanowienie serii połączeń telefonicznych między integratorami.
Nowa maszyna nie tylko była znacznie szybsza i łatwiejsza w konfiguracji, ale także działała szybciej i dokładniej niż jej poprzednik. Potrafiła rozwiązywać bardziej złożone zadania. Dziś ten komputer można uznać za prymitywny, a nawet ekstrawagancki, ale wtedy wydawał się obserwatorom jakimś wielkim — albo, być może, strasznym — działającym umysłem:
W istocie, to matematyczny robot. Napędzany elektrycznością automat stworzony nie tylko po to, aby zdjąć z ludzkiego mózgu ciężar skomplikowanych obliczeń i analizy, ale także by rzucić się na matematyczne zadania, które były poza zasięgiem statku umysłowego, i je rozwiązać.
Shannon skoncentrował się na konwersji danych z taśmy papierowej na instrukcje dla „mózgu”, a za tę operację odpowiadała schemat relacyjny. Zauważył związek pomiędzy strukturą schematu a strukturami matematycznymi algebry Boole'a, którą studiował w liceum w Michigan. To algebra, której operandami były PRAWDA i FAŁSZ, a operatorami — I, LUB, NIE itd. Algebra odpowiadająca twierdzeniom logicznym.
Spędzając lato 1937 roku na pracy w Bell Labs na Manhattanie (idealnym miejscu do rozmyślania nad schematami relacyjnymi), Shannon napisał pracę magisterską pod tytułem „Analiza symboliczna schematów relacyjnych i przełączających” (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Obok pracy Alana Turinga, stworzonej rok wcześniej, praca Shannona położyła podwaliny pod naukę obliczeniowych maszyn.
W latach 1940-1950 Shannon zbudował kilka maszyn obliczeniowych/logicznych: kalkulator do rzymskiego liczenia THROBAC, maszynę do końcowych gier szachowych, a także Theseusa — labiryntu, w którym jeździła elektromechaniczna mysz (na zdjęciu)
Shannon odkrył, że układ równań logiki propozycyjnej można bezpośrednio mechanistycznie przekształcić w fizyczny schemat przekaźników. Stwierdził: „Właściwie każdą operację, która może być opisana skończoną ilością kroków przy użyciu słów JEŚLI, I, LUB itd., można automatycznie wykonać za pomocą przekaźników”. Na przykład, dwa przełączniki przekaźnikowe, podłączone szeregowo, tworzą logiczne Iprąd popłynie przez główny przewód tylko wtedy, gdy oba elektromagnesy będą aktywowane do zamykania przełączników. Jednocześnie dwa przekaźniki połączone równolegle tworzą LUBprąd płynie według głównego schematu, aktywowanego przez jeden z elektromagnesów. Wyjściowe sygnały takiego schematu logicznego mogą z kolei kontrolować elektromagnesy innych przekaźników, aby uzyskać bardziej złożone operacje logiczne, takie jak (A I B) lub (C I D).
Shannon zakończył swoją pracę doktorską załączając kilka przykładów schematów stworzonych według swojej metody. Ponieważ operacje algebry Boole'a są bardzo podobne do operacji arytmetycznych w systemie binarnym (tzn. z użyciem liczb binarnych), pokazał, jak można zbudować z przekaźników „elektryczny sumator w systemie binarnym” – nazywamy to sumatorem binarnym. Kilka miesięcy później jeden z naukowców Bell Labs zbudował taki sumator na kuchennym stole.
Stibitz
George Stibitz, badacz z działu matematycznego siedziby Bell Labs na Manhattanie, w ciemny listopadowy wieczór 1937 roku przyniósł do domu dziwny zestaw sprzętu. Suche ogniwa akumulatorowe, dwie małe żarówki dla paneli urządzeń oraz kilka płaskich przekaźników typu U, znalezionych w koszu na śmieci. Dodając kilka przewodów i trochę gratów, zbudował urządzenie, które mogło dodawać dwa jednobitowe liczby binarne (reprezentowane przez obecność lub brak napięcia wejściowego) i wyświetlać dwubitową liczbę za pomocą żarówek: jeden – włączony, zero – wyłączony.
Sumator binarny Stibitza
Stibitz, z wykształcenia fizyk, został poproszony o ocenę właściwości fizycznych przekaźników elektromagnetycznych. Wcześniej w ogóle nie miał doświadczenia w pracy z przekaźnikami, więc zaczął od studiowania ich zastosowań w schematach telefonicznych Bell. Wkrótce George zauważył podobieństwo między niektórymi schematami a operacjami arytmetycznymi z liczbami binarnymi. Zaintrygowany, zbudował na kuchennym stole swój projekt.
Na początku zabawy Stibitza z przekaźnikami nie wzbudzała ona większego zainteresowania kierownictwa Bell Labs. Jednak w 1938 roku szef grupy badawczej zapytał George'a, czy jego kalkulatory mogą być stosowane do operacji arytmetycznych z liczbami zespolonymi (na przykład, a + bi, gdzie i — pierwiastek kwadratowy z liczby ujemnej). Okazało się, że kilka działów obliczeniowych w Bell Labs już narzekało, że ciągle muszą mnożyć i dzielić takie liczby. Mnożenie jednej liczby zespolonej wymagało czterech operacji arytmetycznych na kalkulatorze biurkowym, a dzielenie — 16 operacji. Sztybic powiedział, że może rozwiązać problem i opracował schemat maszyny do takich obliczeń.
Ostateczną konstrukcję, którą zrealizował w metalu inżynier telefoniczny Samuel Williams, nazwano Complex Number Computer — czyli Complex Computer w skrócie — i uruchomiono w 1940 roku. Do obliczeń wykorzystano 450 przekaźników, a wyniki pośrednie przechowywano w dziesięciu przełącznikach współrzędnych. Dane wprowadzano i odbierano za pomocą taśmy teletypowej. W departamentach Bell Labs zainstalowano trzy takie teletypy, co świadczy o dużym zapotrzebowaniu na moce obliczeniowe. Przekaźniki, matryca, teletypy — pod każdym względem był to produkt systemu Bell.
Gwiazda Complex Computer zajaśniała 11 września 1940 roku. Sztybic przedstawił raport o komputerze na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Matematycznego w Dartmouth College. Umówił się, że tam także zainstalowany zostanie teletyp z połączeniem telegraficznym do Complex Computer w Manhattan, 400 kilometrów dalej. Chętni mogli podejść do teletypu, wprowadzić na klawiaturze warunki zadania i zobaczyć, jak w mniej niż minutę teletyp magicznie drukuje wynik. Wśród tych, którzy doświadczyli nowinki, byli John Mauchly i John von Neumann, z których każdy odegrał ważną rolę w dalszej części naszej historii.
Uczestnicy spotkania zobaczyli krótki przebłysk przyszłego świata. Wkrótce komputery stały się tak drogie, że administratorzy nie mogli pozwolić sobie na ich bezczynność, podczas gdy użytkownik drapał się po brodzie przed konsolą, zastanawiając się, co dalej wpisać. Przez następne 20 lat naukowcy będą myśleć, jak stworzyć komputery ogólnego przeznaczenia, które zawsze będą czekały na wprowadzenie danych, nawet pracując jednocześnie nad czymś innym. A potem minie kolejne 20 lat, zanim taki interaktywny tryb obliczeń stanie się normą.
Sztybic przy interaktywnym terminalu Dartmouth w latach 60. XX wieku. Dartmouth College był pionierem w dziedzinie obliczeń interaktywnych. Sztybic został profesorem college'u w 1964 roku.
Zaskakujące jest, że pomimo zadań, które rozwiązywał, Complex Computer według współczesnych standardów w ogóle nie jest komputerem. Mógł wykonywać operacje arytmetyczne z liczbami zespolonymi i prawdopodobnie rozwiązywać inne podobne zadania, ale nie zadania ogólnego przeznaczenia. Nie był programowalny. Nie mógł wykonywać operacji w dowolnej kolejności ani ich powtarzać. Był kalkulatorem zdolnym do wykonywania określonych obliczeń znacznie lepiej niż jego poprzednicy.
Na początku II wojny światowej w Bell pod kierunkiem Sztybica stworzono serię komputerów o nazwach Model II, Model III oraz Model IV (Complex Computer odpowiednio nosił nazwę Model I). Większość z nich zbudowano na zlecenie Narodowego Komitetu Badawczego ds. Obrony, którego przewodniczył nikt inny jak Vannevar Bush. Sztybic poprawił schemat maszyn pod względem większej uniwersalności funkcji i programowalności.
Na przykład, Ballistic Calculator (później Model III) był rozwijany na potrzeby systemów kierowania ogniem przeciwlotniczym. Urządzenie zostało uruchomione w 1944 roku w Fort Bliss w Teksasie. Zawierało 1400 przekaźników i mogło wykonywać program matematycznych operacji określony przez sekwencję instrukcji na zakręconej taśmie papierowej. Podawano osobno taśmę z danymi wejściowymi, osobno z danymi tabelarycznymi. Umożliwiało to szybkie znajdowanie wartości, na przykład funkcji trygonometrycznych, bez rzeczywistych obliczeń. Inżynierowie Bell opracowali specjalne układy wyszukiwania (hunting circuits), które skanowały taśmę w przód/tył i szukały adresu potrzebnej wartości tabelarycznej niezależnie od obliczeń. Sztybic ustalił, że jego komputer Model III, klikający przekaźnikami dzień i noc, zastępował 25–40 obliczeniaczy.
Stojaki z przekaźnikami Bell Model III
Model V nigdy nie służył w wojsku. Stał się jeszcze bardziej uniwersalny i potężny. Jeśli oceniać na podstawie liczby zastępowanych przez niego obliczaczy, to przewyższał Model III prawie dziesięciokrotnie. Kilka modułów obliczeniowych z 9 tysiącami przekaźników mogło odbierać dane wejściowe z różnych stacji, gdzie użytkownicy wprowadzali warunki różnych zadań. Każda taka stacja miała jeden czytnik taśmowy do wprowadzania danych i pięć do instrukcji. Pozwalało to na wywoływanie różnych podprogramów podczas obliczania zadań z głównej taśmy. Główny moduł zarządzający (w zasadzie odpowiednik systemu operacyjnego) rozdzielał instrukcje pomiędzy modułami obliczeniowymi w zależności od ich dostępności, a programy mogły wykonywać przejścia warunkowe. Nie był to już tylko kalkulator.
Rok cudów: 1937
Rok 1937 można uznać za punkt zwrotny w historii maszyn obliczeniowych. W tym roku Shannon i Stibitz zauważyli podobieństwo między schematami przekaźnikowymi a funkcjami matematycznymi. Te wnioski doprowadziły Bell Labs do stworzenia całej serii ważnych maszyn cyfrowych. To była pewnego rodzaju — a nawet substytucja — kiedy skromny przekaźnik telefoniczny, nie zmieniając fizycznej formy, stał się wcieleniem abstrakcyjnej matematyki i logiki.
W tym samym roku w styczniowym numerze czasopisma Proceedings of the London Mathematical Society opublikowano artykuł brytyjskiego matematyka Alana Turinga „O liczbach obliczalnych w kontekście ” (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). Opisał w nim uniwersalną maszynę obliczeniową: autor twierdził, że mogłaby ona wykonywać działania, które są logicznie równoważne działaniom ludzi-obliczaczy. Turing, który w poprzednim roku rozpoczął studia doktoranckie na Uniwersytecie Princeton, również był zafascynowany schematami przekaźnikowymi. I, podobnie jak Bush, zaniepokojony rosnącym zagrożeniem wojny z Niemcami, zajął się dodatkowym projektem kryptograficznym — mnożnikiem binarnym, który można byłoby wykorzystać do szyfrowania wiadomości wojskowych. Turing zbudował go z przekaźników, złożonych w uniwersyteckim warsztacie mechanicznym.
W tym samym 1937 roku Howard Aiken rozważał koncepcję automatycznej maszyny obliczeniowej. Doktorant inżynierii elektrycznej z Harvardu, Aiken, przeprowadzał znaczną część obliczeń przy użyciu jedynie mechanicznego kalkulatora oraz drukowanych książek z tabelami matematycznymi. Zaproponował konstrukcję, która zlikwidowałaby tę rutynę. W przeciwieństwie do istniejących urządzeń obliczeniowych, miała ona automatycznie i cyklicznie przetwarzać procesy, wykorzystując wyniki poprzednich obliczeń jako dane wejściowe do kolejnych.
Tymczasem w Nippon Electric Company inżynier telekomunikacyjny Akira Nakashima od 1935 roku badał związki między schematami przekaźnikowymi a matematyką. W końcu, w 1938 roku, samodzielnie dowiódł równoważności schematów przekaźnikowych z algebrą Boole'a, którą Shannon odkrył rok wcześniej.
W Berlinie Konrad Zuse, były inżynier lotnictwa, zmęczony nieskończonymi obliczeniami wymaganymi w pracy, poszukiwał funduszy na stworzenie drugiej maszyny obliczeniowej. Nie udało mu się uzyskać niezawodnego działania swojego pierwszego mechanicznego urządzenia — V1, dlatego chciał stworzyć komputer przekaźnikowy, który opracował wspólnie z przyjacielem, inżynierem telekomunikacyjnym Helmutem Schreyerem.
Uniwersalność przekaźników telefonicznych, wnioski dotyczące logiki matematycznej oraz pragnienie błyskotliwych umysłów uwolnienia się od nudnej pracy — wszystko to splatało się i doprowadziło do powstania koncepcji logicznej maszyny nowego typu.
Zapomniane pokolenie
Owocom odkryć i rozwoju z 1937 roku przyszło dojrzewać przez kilka lat. Wojna okazała się najsilniejszym nawozem, a wraz z jej nadejściem komputery przekaźnikowe zaczęły pojawiać się wszędzie tam, gdzie istniała niezbędna ekspertyza techniczna. Logika matematyczna stała się rusztowaniem dla linii elektrycznych. Pojawiły się nowe formy programowalnych maszyn obliczeniowych — pierwszy szkic nowoczesnych komputerów.
Poza maszynami Schtibica w 1944 roku, Stany Zjednoczone mogły pochwalić się urządzeniem Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), będącym wynikiem propozycji Eikena. Podwójna nazwa powstała w wyniku pogarszającej się relacji między środowiskiem akademickim a przemysłem: wszyscy rościli sobie prawa do tego urządzenia. Mark I / ASCC używał schematów przekaźnikowych, ale główny moduł arytmetyczny zbudowano w architekturze mechanicznych kalkulatorów IBM. Maszyna została stworzona dla potrzeb biura budowy okrętów USA. Jej następca Mark II rozpoczął pracę w 1948 roku na poligonie morskim, a wszystkie jego operacje opierały się wyłącznie na przekaźnikach — na 13 tysiącach przekaźników.
Czúse w trakcie wojny zbudował kilka przekaźnikowych komputerów, coraz bardziej skomplikowanych. Kulminacją był V4, który, podobnie jak Bell Model V, zawierał instalacje do wywoływania podprogramów i realizował warunkowe przejścia. Z powodu braku materiałów w Japonii żadna z prac Nakashimy i jego rodaków nie została zrealizowana, aż kraj odbudował się po wojnie. W latach 50-tych na nowo utworzone ministerstwo handlu zagranicznego i przemysłu sfinansowało budowę dwóch maszyn przekaźnikowych, z których druga była potworem z 20 tysiącami przekaźników. Firma Fujitsu, zaangażowana w budowę, opracowała własne komercyjne produkty.
Dziś te maszyny są niemal całkowicie zapomniane. W pamięci pozostała jedynie jedna nazwa — ENIAC. Powód zapomnienia nie ma związku z ich złożonością, czy możliwościami, czy prędkością. Właściwości obliczeniowe i logiczne przekaźników, odkryte przez naukowców i badaczy, odnoszą się do wszelkiego rodzaju urządzeń, które mogą działać jako przełącznik. I tak się stało, że dostępne było inne podobne urządzenie — elektroniczny przełącznik, który mógł działać setki razy szybciej niż przekaźnik.
Znaczenie II wojny światowej w historii życia maszyn obliczeniowych powinno być już oczywiste. Najstraszniejsza wojna stała się impulsem do rozwoju maszyn elektronicznych. Jej początek uwolnił zasoby niezbędne do pokonania oczywistych wad elektronicznych przełączników. Dominacja komputerów elektromechanicznych nie trwała długo. Podobnie jak tytanów, obaliły je ich dzieci. Podobnie jak w przypadku przekaźników, elektroniczne przełączanie powstało z potrzeb przemysłu telekomunikacyjnego. Aby dowiedzieć się, skąd się wzięło, musimy cofnąć naszą historię do momentu na początku epoki radia.
Źródło: habr.com
