W naszym opisał powstanie automatycznych central telefonicznych, które były sterowane za pomocą obwodów przekaźnikowych. Tym razem chcemy porozmawiać o tym, jak naukowcy i inżynierowie opracowali obwody przekaźnikowe w pierwszej – dziś zapomnianej – generacji komputerów cyfrowych.
Przekaźnik w zenicie
Jeśli pamiętasz, działanie przekaźnika opiera się na prostej zasadzie: elektromagnes obsługuje metalowy przełącznik. Pomysł przekaźnika został niezależnie zaproponowany przez kilku przyrodników i przedsiębiorców działających w branży telegraficznej w latach trzydziestych XIX wieku. Następnie w połowie XIX wieku wynalazcy i mechanicy zamienili przekaźniki w niezawodny i niezbędny element sieci telegraficznych. To właśnie w tym obszarze żywotność przekaźnika osiągnęła swój zenit: został zminiaturyzowany, a pokolenia inżynierów stworzyły niezliczone projekty podczas formalnego szkolenia z matematyki i fizyki.
Na początku XX wieku nie tylko automatyczne systemy przełączające, ale także prawie cały sprzęt sieci telefonicznej zawierał jakiś rodzaj przekaźnika. Jedno z najwcześniejszych zastosowań w komunikacji telefonicznej sięga lat 1870. XIX wieku w ręcznych centralach telefonicznych. Kiedy abonent przekręcił klamkę telefonu (uchwyt magneto), do centrali telefonicznej został wysłany sygnał włączający blender. Zaślepka to przekaźnik, który po uruchomieniu powoduje opadnięcie metalowej klapki na centralę operatora telefonicznego, sygnalizując połączenie przychodzące. Następnie pani operator włożyła wtyczkę do złącza, przekaźnik został zresetowany, po czym można było ponownie podnieść klapę, która była utrzymywana w tej pozycji przez elektromagnes.
Jak napisali dwaj inżynierowie Bella, do 1924 roku typowa ręczna centrala telefoniczna obsługiwała około 10 40 abonentów. Jej sprzęt zawierał 65–10 tysięcy przekaźników, których łączna siła magnetyczna „wystarczała do uniesienia XNUMX ton”. W dużych centralach telefonicznych z przełącznikami maszynowymi cechy te zostały pomnożone przez dwa. W całym amerykańskim systemie telefonicznym używano wielu milionów przekaźników, a ich liczba stale rosła w miarę automatyzacji central telefonicznych. Jedno łącze telefoniczne mogło być obsługiwane przez od kilku do kilkuset przekaźników, w zależności od liczby i wyposażenia central telefonicznych.
Fabryki Western Electric, spółki zależnej Bell Corporation, wyprodukowały ogromną gamę przekaźników. Inżynierowie stworzyli tak wiele modyfikacji, że najbardziej wyrafinowani hodowcy psów czy gołębi pozazdroszczą tej odmianie. Zoptymalizowano prędkość działania i czułość przekaźnika oraz zmniejszono wymiary. W 1921 roku firma Western Electric wyprodukowała prawie 5 milionów przekaźników stu podstawowych typów. Najpopularniejszym był przekaźnik uniwersalny typu E, płaskie, prawie prostokątne urządzenie, które ważyło kilkadziesiąt gramów. W przeważającej części wykonywano go z tłoczonych części metalowych, co oznaczało, że był zaawansowany technologicznie w produkcji. Obudowa chroniła styki przed kurzem i prądami indukowanymi z sąsiednich urządzeń: zazwyczaj przekaźniki montowano blisko siebie, w stojakach z setkami i tysiącami przekaźników. Opracowano łącznie 3 wariantów typu E, każdy z inną konfiguracją uzwojenia i styków.
Wkrótce przekaźniki te zaczęto stosować w najbardziej skomplikowanych przełącznikach.
Komutator współrzędnych
W 1910 roku Gotthilf Betulander, inżynier w Royal Telegrafverket, państwowej korporacji kontrolującej większość szwedzkiego rynku telefonicznego (przez dziesięciolecia, prawie cały), wpadł na pomysł. Wierzył, że może znacznie poprawić efektywność działania Telegrafverketu, budując systemy automatycznego przełączania w całości oparte na przekaźnikach. Dokładniej, na matrycach przekaźnikowych: siatki prętów stalowych podłączonych do linii telefonicznych, z przekaźnikami na przecięciach prętów. Przełącznik taki powinien być szybszy, bardziej niezawodny i łatwiejszy w utrzymaniu niż systemy oparte na stykach przesuwnych lub obrotowych.
Co więcej, Betulander wpadł na pomysł, aby możliwe było rozdzielenie części selekcyjnej i przyłączeniowej systemu na niezależne obwody przekaźnikowe. A reszta systemu powinna służyć jedynie do nawiązania kanału głosowego, a następnie zostać uwolniona do obsługi kolejnego połączenia. Oznacza to, że Betulander wpadł na pomysł, który później nazwano „wspólną kontrolą”.
Nazwał obwód przechowujący numer połączenia przychodzącego „rejestratorem” (innym terminem jest rejestr). Natomiast obwód, który znajduje i „oznacza” dostępne połączenie w sieci, nazywany jest „znacznikiem”. Autor opatentował swój system. Kilka takich stacji pojawiło się w Sztokholmie i Londynie. W 1918 roku Betulander dowiedział się o amerykańskiej innowacji: przełączniku współrzędnych, stworzonym pięć lat wcześniej przez inżyniera Bella, Johna Reynoldsa. Przełącznik ten był bardzo podobny do konstrukcji Betulandera, ale był używany n+m przekaźnik serwisowy n+m węzłów macierzowych, co było znacznie wygodniejsze dla dalszej rozbudowy central telefonicznych. Podczas nawiązywania połączenia drążek przytrzymujący zaciskał „palce” struny fortepianu, a pasek wyboru przesuwał się wzdłuż matrycy, aby połączyć się z kolejnym połączeniem. W następnym roku Betulander włączył ten pomysł do swojego projektu przełącznika.
Jednak większość inżynierów uważała dzieło Betulandera za dziwne i niepotrzebnie skomplikowane. Kiedy przyszedł czas na wybór systemu przełączającego do automatyzacji sieci największych szwedzkich miast, firma Telegrafverket wybrała projekt opracowany przez firmę Ericsson. Przełączniki Betulander były używane tylko w małych centralach telefonicznych na obszarach wiejskich: przekaźniki były bardziej niezawodne niż zmotoryzowana automatyka central Ericsson i nie wymagały techników zajmujących się konserwacją w każdej centrali.
Jednak amerykańscy inżynierowie telefoniczni mieli odmienne zdanie w tej sprawie. W 1930 roku specjaliści z Bell Labs przybyli do Szwecji i byli „pod wielkim wrażeniem parametrów modułu przełącznika współrzędnych”. Kiedy Amerykanie wrócili, natychmiast rozpoczęli pracę nad tak zwanym układem współrzędnych nr 1, zastępującym przełączniki panelowe w dużych miastach. Do 1938 roku w Nowym Jorku zainstalowano dwa takie systemy. Wkrótce stały się standardowym wyposażeniem miejskich central telefonicznych, aż ponad 30 lat później zastąpiły je przełączniki elektroniczne.
Najciekawszym elementem X-Switch nr 1 był nowy, bardziej złożony znacznik opracowany w firmie Bell. Miało to na celu wyszukiwanie wolnej trasy od dzwoniącego do wywoływanego poprzez kilka połączonych ze sobą modułów współrzędnych, tworząc w ten sposób połączenie telefoniczne. Marker musiał także przetestować każde połączenie pod kątem stanu wolny/zajęty. Wymagało to zastosowania logiki warunkowej. Jak napisał historyk Robert Chapuis:
Wybór jest warunkowy, ponieważ wolne połączenie jest utrzymywane tylko wtedy, gdy zapewnia dostęp do sieci, której wyjściem jest wolne połączenie do następnego poziomu. Jeżeli kilka zestawów połączeń spełnia żądane warunki, wówczas „logika preferencyjna” wybiera jedno z najmniejszej liczby połączeń...
Przełącznik współrzędnych jest doskonałym przykładem wzajemnego zapładniania pomysłów technologicznych. Betulander stworzył swój przełącznik składający się wyłącznie z przekaźników, a następnie ulepszył go za pomocą matrycy przełączającej Reynoldsa i udowodnił wydajność powstałego projektu. Inżynierowie AT&T przeprojektowali później ten przełącznik hybrydowy, ulepszyli go i stworzyli układ współrzędnych nr 1. System ten stał się następnie składnikiem dwóch wczesnych komputerów, z których jeden jest obecnie uważany za kamień milowy w historii informatyki.
Praca matematyczna
Aby zrozumieć, w jaki sposób i dlaczego przekaźniki i ich elektroniczni kuzyni pomogli zrewolucjonizować informatykę, potrzebujemy krótkiego wypadu do świata rachunku różniczkowego. Po tym stanie się jasne, dlaczego istniało ukryte zapotrzebowanie na optymalizację procesów obliczeniowych.
Na początku XX wieku cały system współczesnej nauki i inżynierii opierał się na pracy tysięcy ludzi wykonujących obliczenia matematyczne. Byli nazywani komputery (komputery) [Aby uniknąć nieporozumień, termin ten będzie używany w całym tekście kalkulatory. - Notatka. uliczka] W latach dwudziestych XIX wieku stworzył Charles Babbage (choć jego aparat miał ideologicznych poprzedników). Jego głównym zadaniem była automatyzacja budowy tablic matematycznych, np. do nawigacji (obliczanie funkcji trygonometrycznych poprzez przybliżenia wielomianowe przy 0 stopniach, 0,01 stopnia, 0,02 stopnia itp.). Duże zapotrzebowanie było także na obliczenia matematyczne w astronomii: konieczne było przetwarzanie surowych wyników obserwacji teleskopowych w ustalonych obszarach sfery niebieskiej (w zależności od czasu i daty obserwacji) lub wyznaczanie orbit nowych obiektów (np. Kometa halleya).
Od czasów Babbage'a zapotrzebowanie na maszyny liczące wzrosło wielokrotnie. Przedsiębiorstwa elektroenergetyczne musiały zrozumieć zachowanie szkieletowych systemów przesyłu energii o niezwykle złożonych właściwościach dynamicznych. Stalowe działa Bessemera, zdolne do rzucania pocisków za horyzont (a zatem dzięki bezpośredniej obserwacji celu nie były już celowane), wymagały coraz dokładniejszych stołów balistycznych. Nowe narzędzia statystyczne wymagające dużej ilości obliczeń matematycznych (takie jak metoda najmniejszych kwadratów) były coraz częściej stosowane zarówno w nauce, jak i w rozwijającym się aparacie rządowym. Na uniwersytetach, agencjach rządowych i korporacjach przemysłowych pojawiły się wydziały komputerowe, które zazwyczaj rekrutowały kobiety.
Kalkulatory mechaniczne jedynie ułatwiły problem obliczeń, ale go nie rozwiązały. Kalkulatory przyspieszały operacje arytmetyczne, ale każdy złożony problem naukowy lub inżynieryjny wymagał setek lub tysięcy operacji, z których każdą (ludzki) kalkulator musiał wykonywać ręcznie, dokładnie zapisując wszystkie wyniki pośrednie.
Na pojawienie się nowych podejść do problemu obliczeń matematycznych złożyło się kilka czynników. Młodzi naukowcy i inżynierowie, którzy nocą boleśnie kalkulowali swoje zadania, chcieli dać odpocząć dłoniom i oczom. Kierownicy projektów byli zmuszeni wydawać coraz więcej pieniędzy na pensje wielu komputerów, zwłaszcza po pierwszej wojnie światowej. Wreszcie wiele zaawansowanych problemów naukowych i inżynieryjnych było trudnych do obliczenia ręcznie. Wszystkie te czynniki doprowadziły do powstania serii komputerów, nad którymi prace prowadzono pod przewodnictwem Vannevara Busha, inżyniera elektryka w Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Analizator różnicowy
Do tego momentu historia często była bezosobowa, ale teraz zaczniemy mówić więcej o konkretnych osobach. Sława ominęła twórców przełącznika panelowego, przekaźnika typu E i obwodu znacznika odniesienia. Nie zachowały się o nich nawet anegdoty biograficzne. Jedynym publicznie dostępnym dowodem ich życia są skamieniałe pozostałości maszyn, które stworzyli.
Możemy teraz lepiej zrozumieć ludzi i ich przeszłość. Ale nie spotkamy już tych, którzy ciężko pracowali na strychach i warsztatach w domu - Morse'a i Vaila, Bella i Watsona. Pod koniec I wojny światowej era bohaterskich wynalazców dobiegła końca. Thomasa Edisona można uznać za postać przejściową: na początku swojej kariery był najemnym wynalazcą, a pod koniec stał się właścicielem „fabryki wynalazków”. Do tego czasu rozwój najbardziej znaczących nowych technologii stał się domeną organizacji – uniwersytetów, korporacyjnych działów badawczych, laboratoriów rządowych. Osoby, o których będziemy mówić w tej sekcji, należały do takich organizacji.
Na przykład Vannevara Busha. Do MIT przybył w 1919 roku, mając 29 lat. Nieco ponad 20 lat później był jedną z osób, które wpłynęły na udział Stanów Zjednoczonych w II wojnie światowej i pomogły zwiększyć fundusze rządowe, co na zawsze zmieniło relacje między rządem, środowiskiem akademickim oraz rozwojem nauki i technologii. Ale na potrzeby tego artykułu interesuje nas seria maszyn, które zostały opracowane w laboratorium Busha od połowy lat dwudziestych XX wieku i miały na celu rozwiązanie problemu obliczeń matematycznych.
MIT, który niedawno przeniósł się z centrum Bostonu na nabrzeże Charles River w Cambridge, był ściśle dostosowany do potrzeb przemysłu. Sam Bush, oprócz stanowiska profesora, miał interesy finansowe w kilku przedsiębiorstwach z branży elektronicznej. Nie powinno więc dziwić, że problem, który skłonił Buscha i jego uczniów do pracy nad nowym urządzeniem obliczeniowym, ma swoje źródło w przemyśle energetycznym: symulacja zachowania linii przesyłowych w warunkach szczytowego obciążenia. Oczywiście było to tylko jedno z wielu możliwych zastosowań komputerów: wszędzie przeprowadzano żmudne obliczenia matematyczne.
Busch i jego współpracownicy zbudowali najpierw dwie maszyny zwane intergrafami produktów. Ale najbardziej znaną i odnoszącą sukcesy maszyną MIT była inna: analizator różnicowy, ukończona w 1931 r. Rozwiązywał problemy z przesyłem energii elektrycznej, obliczał orbity elektronów, trajektorie promieniowania kosmicznego w polu magnetycznym Ziemi i wiele więcej. Potrzebujący mocy obliczeniowej badacze na całym świecie stworzyli w latach trzydziestych XX wieku dziesiątki kopii i odmian analizatora różnicowego. Niektóre pochodzą nawet z Meccano (angielskiego odpowiednika amerykańskich zestawów konstrukcyjnych marki dla dzieci ).
Analizator różnicowy jest komputerem analogowym. Funkcje matematyczne obliczono za pomocą obracających się metalowych prętów, których prędkość obrotowa odzwierciedlała pewną wartość ilościową. Silnik napędzał niezależny pręt - zmienną (zwykle przedstawiającą czas), która z kolei obracała inne pręty (różne zmienne różniczkowe) poprzez połączenia mechaniczne, a funkcję obliczano na podstawie wejściowej prędkości obrotowej. Wyniki obliczeń naniesiono na papier w postaci krzywych. Najważniejszymi elementami były integratory – koła, które obracały się jak dyski. Integratorzy mogli obliczyć całkę krzywej bez żmudnych, ręcznych obliczeń.
Analizator różnicowy. Moduł integralny - z podnoszoną pokrywą, z boku okna znajdują się tabele z wynikami obliczeń, a pośrodku - zestaw prętów obliczeniowych
Żaden z elementów analizatora nie zawierał dyskretnych przekaźników przełączających ani żadnych przełączników cyfrowych. Dlaczego więc mówimy o tym urządzeniu? Odpowiedź to czwarty samochód rodzinny.
We wczesnych latach trzydziestych Bush zaczął zabiegać o względy Fundacji Rockefellera w celu uzyskania funduszy na dalszy rozwój analizatora. Warren Weaver, szef nauk przyrodniczych fundacji, początkowo nie był przekonany. Inżynieria nie była jego specjalizacją. Busch wychwalał jednak nieograniczony potencjał swojej nowej maszyny w zastosowaniach naukowych, zwłaszcza w biologii matematycznej, ulubionym projekcie Weavera. Bush obiecał także liczne ulepszenia analizatora, w tym „możliwość szybkiego przełączania analizatora z jednego problemu na drugi, jak w przypadku centrali telefonicznej”. W 1930 roku jego wysiłki zostały nagrodzone grantem w wysokości 1936 85 dolarów na stworzenie nowego urządzenia, które później nazwano analizatorem różnicowym Rockefellera.
Jako praktyczny komputer analizator ten nie był wielkim przełomem. Bush, który został wiceprezesem i dziekanem inżynierii MIT, nie mógł poświęcić wiele czasu na kierowanie rozwojem. Faktycznie wkrótce się wycofał, obejmując obowiązki przewodniczącego Carnegie Institution w Waszyngtonie. Bush przeczuwał zbliżającą się wojnę i miał kilka pomysłów naukowych i przemysłowych, które mogłyby służyć potrzebom wojska. Oznacza to, że chciał być bliżej centrum władzy, gdzie mógłby skuteczniej wpływać na rozwiązanie określonych kwestii.
W tym samym czasie problemy techniczne, jakie dyktował nowy projekt, zostały rozwiązane przez personel laboratorium i wkrótce zaczęto go przekierowywać do pracy nad problemami wojskowymi. Maszyna Rockefellera została ukończona dopiero w 1942 roku. Wojsko uznało go za przydatny do liniowej produkcji stołów balistycznych dla artylerii. Ale wkrótce to urządzenie zostało całkowicie przyćmione cyfrowy komputery - przedstawiające liczby nie jako wielkości fizyczne, ale abstrakcyjnie, za pomocą pozycji przełączników. Tak się złożyło, że sam analizator Rockefellera zastosował całkiem sporo podobnych przełączników, składających się z obwodów przekaźnikowych.
Shannon
W 1936 roku Claude Shannon miał zaledwie 20 lat, ale ukończył już Uniwersytet Michigan, uzyskując tytuł licencjata z elektrotechniki i matematyki. Do MIT trafił dzięki ulotce przypiętej do tablicy ogłoszeń. Vannevar Bush szukał nowego asystenta do pracy przy analizatorze różnicowym. Shannon bez wahania złożył wniosek i wkrótce zaczął pracować nad nowymi problemami, zanim nowe urządzenie zaczęło nabierać kształtu.
Shannon w niczym nie przypominała Busha. Nie był ani biznesmenem, ani akademickim budowniczym imperium, ani administratorem. Przez całe życie kochał gry, łamigłówki i rozrywkę: szachy, żonglerkę, labirynty, kryptogramy. Podobnie jak wielu ludzi jego epoki, podczas wojny Shannon poświęcił się poważnym sprawom: piastował stanowisko w Bell Labs na podstawie kontraktu rządowego, który chronił jego wątłe ciało przed poborem do wojska. Jego badania nad kontrolą ognia i kryptografią prowadzone w tym okresie doprowadziły z kolei do przełomowych prac nad teorią informacji (o których nie będziemy się poruszać). W latach pięćdziesiątych, gdy wojna i jej następstwa wygasły, Shannon wrócił do nauczania na MIT, spędzając wolny czas na rozrywkach: kalkulatorze działającym wyłącznie z cyframi rzymskimi; maszyna, po włączeniu wyłoniło się z niej mechaniczne ramię i wyłączyło maszynę.
Struktura maszyny Rockefellera, którą napotkał Shannon, była logicznie taka sama jak analizatora z 1931 r., ale została zbudowana z zupełnie innych elementów fizycznych. Busch zdał sobie sprawę, że korbowody i przekładnie mechaniczne w starszych maszynach zmniejszają efektywność ich użytkowania: aby wykonać obliczenia, trzeba było ustawić maszynę, co wymagało wielu roboczogodzin pracy wykwalifikowanych mechaników.
Nowy analizator utracił tę wadę. Jego konstrukcja nie opierała się na stole z prętami, ale na komutatorze krzyżowo-tarczowym, będącym nadwyżką prototypu podarowanego przez Bell Labs. Zamiast przenosić moc z wału centralnego, każdy integralny moduł był niezależnie napędzany silnikiem elektrycznym. Aby skonfigurować maszynę do rozwiązania nowego problemu, wystarczyło po prostu skonfigurować przekaźniki w macierzy współrzędnych, aby połączyć integratory w żądanej kolejności. Czytnik taśmy dziurkowanej (pożyczony z innego urządzenia telekomunikacyjnego, teletypu rolkowego) odczytał konfigurację maszyny, a obwód przekaźnika przetwarzał sygnał z taśmy na sygnały sterujące dla matrycy – to było jak zestawianie serii rozmów telefonicznych pomiędzy integratorami.
Nowa maszyna była nie tylko znacznie szybsza i łatwiejsza w konfiguracji, ale także szybsza i dokładniejsza niż jej poprzedniczka. Potrafiła rozwiązywać bardziej złożone problemy. Dziś ten komputer można by uznać za prymitywny, a nawet ekstrawagancki, ale wówczas obserwatorom wydawał się działać jakaś wielka – a może straszna – inteligencja:
Zasadniczo jest to robot matematyczny. Automat zasilany elektrycznie, zaprojektowany nie tylko po to, aby odciążyć ludzki mózg od ciężaru ciężkich obliczeń i analiz, ale także po to, aby atakować i rozwiązywać problemy matematyczne, których umysł nie jest w stanie rozwiązać.
Shannon skupiła się na przetwarzaniu danych z taśmy papierowej na instrukcje dla „mózgu”, a za tę operację odpowiedzialny był obwód przekaźnikowy. Zauważył zgodność pomiędzy strukturą obwodu a strukturami matematycznymi algebry Boole'a, którą studiował na studiach podyplomowych w Michigan. To jest algebra, której operandy były Prawda i fałszi przez operatorów - ORAZ, LUB, NIE itp. Algebra odpowiadająca twierdzeniom logicznym.
Po spędzeniu lata 1937 roku w Bell Labs na Manhattanie (idealnym miejscu do myślenia o obwodach przekaźnikowych) Shannon napisał pracę magisterską zatytułowaną „A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits”. Wraz z pracą Alana Turinga sprzed roku teza Shannona stworzyła podwaliny informatyki.
W latach czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku Shannon zbudowała kilka maszyn liczących/logicznych: kalkulator rachunku różniczkowego THROBAC Roman, maszynę do gry końcowej w szachach oraz Tezeusz, labirynt, po którym poruszała się elektromechaniczna mysz (na zdjęciu)
Shannon odkrył, że układ równań logiki zdań można bezpośrednio przekształcić mechanicznie w fizyczny obwód przełączników przekaźnikowych. Doszedł do wniosku: „Praktycznie każda operacja, którą można opisać słowami w skończonej liczbie kroków JEŚLI, ORAZ, LUB itp., mogą być wykonywane automatycznie przy użyciu przekaźnika.” Na przykład dwa sterowane przekaźniki przełączające połączone szeregowo tworzą układ logiczny И: Prąd będzie przepływał przez główny przewód tylko wtedy, gdy oba elektromagnesy zostaną aktywowane w celu zamknięcia przełączników. Jednocześnie dwa przekaźniki połączone równolegle Or: Prąd przepływa przez obwód główny, aktywowany przez jeden z elektromagnesów. Wyjście takiego obwodu logicznego może z kolei sterować elektromagnesami innych przekaźników, aby wygenerować bardziej złożone operacje logiczne, takie jak (A И B) lub (C И G).
Shannon zakończył swoją rozprawę aneksem zawierającym kilka przykładów obwodów stworzonych jego metodą. Ponieważ operacje algebry Boole'a są bardzo podobne do operacji arytmetycznych w systemie binarnym (tj. przy użyciu liczb binarnych), pokazał, w jaki sposób przekaźnik można złożyć w „sumator elektryczny w formacie binarnym” – nazywamy go sumatorem binarnym. Kilka miesięcy później jeden z naukowców z Bell Labs zbudował taką żmiję na swoim kuchennym stole.
Stibitz
George Stibitz, pracownik naukowy na wydziale matematyki w siedzibie Bell Labs na Manhattanie, pewnego ciemnego listopadowego wieczoru 1937 roku przywiózł do domu dziwny zestaw sprzętu. Suche ogniwa akumulatorowe, dwie małe lampki na panelach sprzętu i kilka płaskich przekaźników typu U znalezionych w koszu na śmieci. Dodając kilka przewodów i trochę śmieci, zbudował urządzenie, które mogło dodać dwie jednocyfrowe liczby binarne (reprezentowane przez obecność lub brak napięcia wejściowego) i wyprowadzić dwucyfrową liczbę za pomocą żarówek: jedna oznacza włączenie, zero na wyłączone.
Binarny dodatek Stiebitza
Stiebitz, fizyk z wykształcenia, został poproszony o ocenę właściwości fizycznych magnesów przekaźnikowych. Nie miał żadnego wcześniejszego doświadczenia z przekaźnikami, więc zaczął od przestudiowania ich zastosowania w obwodach telefonicznych Bell. George szybko zauważył podobieństwa między niektórymi obwodami a binarnymi operacjami arytmetycznymi. Zaintrygowany złożył swój poboczny projekt na kuchennym stole.
Początkowo zajmowanie się przekaźnikami Stiebitza wzbudziło niewielkie zainteresowanie wśród kierownictwa Bell Labs. Jednak w 1938 roku szef grupy badawczej zapytał George'a, czy jego kalkulatory mogłyby służyć do wykonywania operacji arytmetycznych na liczbach zespolonych (np. a+biGdzie i jest pierwiastkiem kwadratowym z liczby ujemnej). Okazało się, że kilka działów obliczeniowych w Bell Labs już jęczało, bo ciągle musieli mnożyć i dzielić takie liczby. Mnożenie jednej liczby zespolonej wymagało czterech operacji arytmetycznych na kalkulatorze stacjonarnym, dzielenie wymagało 16 operacji. Stibitz powiedział, że może rozwiązać problem i zaprojektował obwód maszynowy do takich obliczeń.
Ostateczny projekt, wykonany w metalu przez inżyniera telefonicznego Samuela Williamsa, nazwano komputerem zespolonym (w skrócie komputerem złożonym) i wprowadzono na rynek w 1940 roku. Do obliczeń wykorzystano 450 przekaźników, wyniki pośrednie przechowywano w dziesięciu przełącznikach współrzędnych. Dane zostały wprowadzone i odebrane za pomocą teletypu zwijanego. Działy Bell Labs zainstalowały trzy takie teletypy, co wskazuje na duże zapotrzebowanie na moc obliczeniową. Sztafety, matryce, teletypy – pod każdym względem był to produkt systemu Bell.
Najwspanialsza godzina Complex Computer wybiła 11 września 1940 roku. Stiebitz przedstawił raport dotyczący komputera na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Matematycznego w Dartmouth College. Zgodził się, że zostanie tam zainstalowany teletyp z połączeniem telegraficznym do oddalonego o 400 kilometrów Complex Computer na Manhattanie. Zainteresowani mogli udać się do dalekopisu, wpisać na klawiaturze warunki wystąpienia problemu i zobaczyć, jak w niecałą minutę teletyp magicznie wypisuje wynik. Wśród osób, które testowały nowy produkt, byli John Mauchly i John von Neumann, z których każdy odegrał ważną rolę w kontynuacji naszej historii.
Uczestnicy spotkania mieli okazję zobaczyć krótki przebłysk przyszłego świata. Później komputery stały się tak drogie, że administratorzy nie mogli już pozwolić sobie na pozostawienie ich bezczynnie, podczas gdy użytkownik drapał się po brodzie przed konsolą zarządzającą, zastanawiając się, co wpisać dalej. Przez następne 20 lat naukowcy będą zastanawiać się, jak zbudować komputery ogólnego przeznaczenia, które zawsze będą czekały, aż wprowadzisz do nich dane, nawet podczas pracy nad czymś innym. A potem minie kolejne 20 lat, zanim ten interaktywny sposób przetwarzania danych stanie się na porządku dziennym.
Stiebitz za terminalem interaktywnym Dartmouth w latach 1960. Dartmouth College był pionierem w dziedzinie informatyki interaktywnej. Stiebitz został profesorem uczelni w roku 1964
Zaskakujące jest to, że pomimo problemów, które rozwiązuje, Complex Computer, według współczesnych standardów, wcale nie jest komputerem. Mógłby wykonywać operacje arytmetyczne na liczbach zespolonych i prawdopodobnie rozwiązywać inne podobne problemy, ale nie problemy ogólnego przeznaczenia. Nie dało się tego zaprogramować. Nie mógł wykonywać operacji w przypadkowej kolejności ani wielokrotnie. Był to kalkulator, który potrafił wykonywać pewne obliczenia znacznie lepiej niż jego poprzednicy.
Wraz z wybuchem II wojny światowej Bell pod przewodnictwem Stiebitza stworzył serię komputerów zwanych Modelem II, Modelem III i Modelem IV (odpowiednio komputer złożony nazwano Modelem I). Większość z nich została zbudowana na zlecenie Komitetu Badań nad Obroną Narodową, a na jego czele stał nie kto inny jak Vannevar Bush. Stibitz ulepszył konstrukcję maszyn pod kątem większej wszechstronności funkcji i programowalności.
Przykładowo, na potrzeby przeciwlotniczych systemów kierowania ogniem opracowano Kalkulator Balistyczny (później Model III). Zaczął działać w 1944 roku w Fort Bliss w Teksasie. Urządzenie zawierało 1400 przekaźników i mogło wykonywać program operacji matematycznych określony przez sekwencję instrukcji na zwiniętej taśmie papierowej. Oddzielnie dostarczono taśmę z danymi wejściowymi i osobno dane tabelaryczne. Umożliwiło to szybkie znalezienie wartości np. funkcji trygonometrycznych bez rzeczywistych obliczeń. Inżynierowie firmy Bell opracowali specjalne obwody wyszukiwania (obwody wyszukiwania), które skanują taśmę do przodu/do tyłu i wyszukują adres żądanej wartości w tabeli, niezależnie od obliczeń. Stibitz odkrył, że jego komputer Model III, przełączający dzień i noc, zastąpił 25–40 komputerów.
Stojaki przekaźnikowe Bell Model III
Samochód Model V nie miał już czasu na odbycie służby wojskowej. Stało się jeszcze bardziej wszechstronne i potężne. Jeśli ocenimy liczbę komputerów, które wymienił, to była ona około dziesięć razy większa niż Model III. Kilka modułów obliczeniowych z 9 tysiącami przekaźników mogło odbierać dane wejściowe z kilku stacji, na których użytkownicy wprowadzali warunki różnych zadań. Każda taka stacja miała jeden czytnik taśm do wprowadzania danych i pięć do instrukcji. Umożliwiło to wywoływanie różnych podprogramów z taśmy głównej podczas obliczania zadania. Główny moduł sterujący (w zasadzie odpowiednik systemu operacyjnego) rozdzielał instrukcje pomiędzy modułami obliczeniowymi w zależności od ich dostępności, a programy mogły wykonywać rozgałęzienia warunkowe. To już nie był tylko kalkulator.
Rok Cudów: 1937
Rok 1937 można uznać za punkt zwrotny w historii informatyki. W tym samym roku Shannon i Stibitz zauważyli podobieństwa między obwodami przekaźników a funkcjami matematycznymi. Odkrycia te skłoniły Bell Labs do stworzenia serii ważnych maszyn cyfrowych. To było w pewnym sensie – a nawet substytut – gdy skromny przekaźnik telefoniczny, nie zmieniając swojej fizycznej formy, stał się ucieleśnieniem abstrakcyjnej matematyki i logiki.
W tym samym roku w styczniowym numerze publikacji Proceedings of London Mathematical Society opublikował artykuł brytyjskiego matematyka Alana Turinga „O liczbach obliczalnych w odniesieniu do „(O liczbach obliczalnych, z zastosowaniem do Entscheidungsproblem). Opisał uniwersalną maszynę liczącą: autor argumentował, że może ona wykonywać działania, które są logicznie równoważne działaniom ludzkich komputerów. Turinga, który w zeszłym roku rozpoczął studia podyplomowe na Uniwersytecie Princeton, również zaintrygowały obwody sztafetowe. I podobnie jak Bush jest zaniepokojony rosnącym zagrożeniem wojną z Niemcami. Podjął się więc pobocznego projektu kryptograficznego – mnożnika binarnego, który można wykorzystać do szyfrowania komunikacji wojskowej. Turing zbudował go z przekaźników zmontowanych w uniwersyteckim warsztacie mechanicznym.
Również w 1937 roku Howard Aiken myślał o proponowanej maszynie liczącej. Aiken, absolwent elektrotechniki na Harvardzie, wykonywał większość obliczeń, używając wyłącznie kalkulatora mechanicznego i drukowanych zeszytów z tablicami matematycznymi. Zaproponował projekt, który wyeliminowałby tę rutynę. W odróżnieniu od istniejących urządzeń obliczeniowych miał on przetwarzać procesy w sposób automatyczny i cykliczny, wykorzystując wyniki poprzednich obliczeń jako wkład do kolejnych.
Tymczasem w Nippon Electric Company inżynier telekomunikacji Akira Nakashima od 1935 roku badał powiązania między obwodami przekaźnikowymi a matematyką. Wreszcie w 1938 roku niezależnie udowodnił równoważność obwodów przekaźnikowych z algebrą Boole'a, którą Shannon odkrył rok wcześniej.
W Berlinie Konrad Zuse, były inżynier lotniczy zmęczony niekończącymi się w pracy obliczeniami, szukał środków na budowę drugiego komputera. Nie udało mu się sprawić, aby jego pierwsze urządzenie mechaniczne, V1, działało niezawodnie, więc chciał zbudować komputer przekaźnikowy, który opracował wspólnie ze swoim przyjacielem, inżynierem telekomunikacji Helmutem Schreyerem.
Wszechstronność przekaźników telefonicznych, wnioski dotyczące logiki matematycznej, chęć bystrych umysłów do pozbycia się otępiającej pracy – wszystko to się splatało i doprowadziło do pojawienia się idei nowego typu maszyny logicznej.
Zapomniane pokolenie
Owoce odkryć i osiągnięć 1937 roku musiały dojrzewać przez kilka lat. Wojna okazała się najpotężniejszym nawozem i wraz z jej nadejściem wszędzie tam, gdzie istniała niezbędna wiedza techniczna, zaczęły pojawiać się komputery przekaźnikowe. Logika matematyczna stała się filarem elektrotechniki. Pojawiły się nowe formy programowalnych maszyn liczących — pierwszy szkic współczesnych komputerów.
Oprócz maszyn Stiebitza do 1944 roku Stany Zjednoczone mogły pochwalić się kalkulatorem automatycznej kontroli sekwencji Harvard Mark I/IBM (ASCC), będącym efektem propozycji Aikena. Podwójna nazwa powstała w wyniku pogorszenia się relacji między środowiskiem akademickim a przemysłem: wszyscy rościli sobie prawa do urządzenia. Mark I/ASCC wykorzystywał przekaźnikowe obwody sterujące, ale główna jednostka arytmetyczna została oparta na architekturze kalkulatorów mechanicznych IBM. Pojazd powstał na potrzeby amerykańskiego Biura Przemysłu Stoczniowego. Jego następca, Mark II, zaczął działać w 1948 roku na poligonie testowym Marynarki Wojennej, a wszystkie jego operacje opierały się wyłącznie na przekaźnikach – 13 XNUMX przekaźników.
Podczas wojny Zuse zbudował kilka coraz bardziej złożonych komputerów przekaźnikowych. Kulminacją był V4, który podobnie jak Bell Model V zawierał ustawienia wywoływania podprogramów i wykonywania rozgałęzień warunkowych. Ze względu na braki materiałowe w Japonii żaden z projektów Nakashimy i jego rodaków nie został zrealizowany w metalu, dopóki kraj nie odzyskał sił po wojnie. W latach pięćdziesiątych nowo powstałe Ministerstwo Handlu Zagranicznego i Przemysłu sfinansowało powstanie dwóch maszyn sztafetowych, z czego druga była monstrum z 1950 tysiącami przekaźników. Fujitsu, które brało udział w tworzeniu, opracowało własne produkty komercyjne.
Dziś te maszyny są niemal całkowicie zapomniane. W pamięci pozostaje tylko jedno imię – ENIAC. Powód zapomnienia nie jest związany z ich złożonością, możliwościami czy szybkością. Odkryte przez naukowców i badaczy właściwości obliczeniowe i logiczne przekaźników mają zastosowanie do każdego rodzaju urządzenia, które może pełnić funkcję przełącznika. I tak się złożyło, że dostępne było inne podobne urządzenie - elektroniczny przełącznik, który mógłby działać setki razy szybciej niż przekaźnik.
Znaczenie II wojny światowej w historii informatyki powinno być już oczywiste. Najstraszniejsza wojna stała się impulsem do rozwoju maszyn elektronicznych. Jego uruchomienie uwolniło zasoby potrzebne do przezwyciężenia oczywistych wad przełączników elektronicznych. Panowanie komputerów elektromechanicznych było krótkotrwałe. Podobnie jak Tytani, zostali obaleni przez swoje dzieci. Podobnie jak przekaźniki, przełączanie elektroniczne powstało z potrzeb branży telekomunikacyjnej. Aby dowiedzieć się, skąd się wziął, musimy cofnąć się do momentu u zarania ery radia.
Źródło: www.habr.com