În cadrul nostru s-a discutat despre apogeul centralelor telefonice automate, controlate prin scheme de relee. De data aceasta dorim să vorbim despre cum oamenii de știință și inginerii au dezvoltat schemele de relee în prima generație de calculatoare digitale — acum uitată.
Releele în apogeu
Dacă vă amintiți, funcționarea releelor se bazează pe un principiu simplu: un electromagnet acționează un comutator metalic. Ideea de relee a fost propusă în anii 1830, independent, de mai mulți cercetători și antreprenori din domeniul telegrafic. Apoi, în mijlocul secolului XIX, inventatorii și mecanicii au transformat reelele într-un component de încredere și indispensabil al rețelelor telegrafice. În acest domeniu, viața reelelor a atins apogeul: acestea au fost miniaturizate, iar generații de ingineri au creat o multitudine de construcții, învățând formal despre matematică și fizică.
La începutul secolului XX, nu numai sistemele de comutare automate, ci și aproape toate echipamentele rețelelor telefonice conțineau diverse tipuri de relee. Una dintre cele mai timpurii aplicații în comunicațiile telefonice datează din anii 1870, în comutatoarele manuale. Când un abonat punea în funcțiune maneta telefonului (maneta magneto), un semnal era trimis la stația telefonică, activând un bucla. Bucla — este un releu, atunci când se activează, permitea unei obloane metalice să cadă pe masa de comutare a operatorului telefonic, semnalizând primirea unei apeluri. Atunci, doamna-operator introducea conectorul în priza, releul se resetase, după care se putea ridica din nou obloana, care în acea poziție era menținută de electromagnet.
În 1924, așa cum au scris doi ingineri de la Bell, o stație telefonică manuală tipică deservea aproximativ 10.000 de abonați. În echipamentele acesteia existau între 40.000 și 65.000 de relee, ale căror forțe magnetice totale erau „suficiente pentru a ridica 10 tone”. În marile stații telefonice cu comutatoare automate, aceste caracteristici se înmulțeau cu două. În întregul sistem telefonic din SUA erau utilizate milioane de relee, iar numărul acestora continua să crească pe măsură ce stațiile telefonice erau automatizate. O conexiune telefonică putea fi deservită de la câteva unități până la câteva sute de relee — în funcție de numărul și dotările stațiilor telefonice implicate.
Fabricile companiei Western Electric, parte a structurii de producție a corporației Bell, au fabricat o gamă vastă de relee. Inginerii au creat atât de multe variații încât acestora le-ar fi invidiat cei mai experimentați crescători de câini sau de porumbei. Viteza de funcționare și sensibilitatea releelor au fost optimizate, iar dimensiunile au fost reduse. În 1921, Western Electric a produs aproape 5 milioane de relee din cele 100 de tipuri principale. Cel mai comun era releul universal Type E, un dispozitiv plat, practic de formă rectangulară, care cântărea câteva zeci de grame. În mare parte, era fabricat din piese metalice stampate, adică era tehnologic în producție. Carcasa proteja contactele de praf și de curenții induși din dispozitivele învecinate: de obicei, releele erau montate foarte aproape unele de altele, în rack-uri ce conțin sute sau mii de relee. În total, au fost dezvoltate 3.000 de variante ale Type E, fiecare dintre ele diferind prin configurațiile de înfășurare și contacte.
În curând, aceste relee au început să fie folosite în cele mai complexe centrale telefonice.
Centrala de coordonare
În 1910, Gotthilf Betulander, inginer la Royal Telegrafverket — corporația de stat care controla mare parte din piața telefonică suedeză (de-a lungul decadelor, aproape în întregime) — a avut o idee. El credea că poate îmbunătăți semnificativ eficiența operațiunilor Telegrafverket prin construirea de sisteme de comutare automate, complet bazate pe relee. Mai exact, pe matrice de relee: grile din bare de oțel, conectate la liniile telefonice, cu relee la intersecția acestora. O astfel de centrală ar trebui să funcționeze mai rapid, mai fiabil și să fie mai ușor de întreținut în comparație cu sistemele bazate pe contacte mobile sau rotative.
Mai mult, Betulander a propus că părțile sistemului responsabile de selecție și conectare ar putea fi separate în scheme de relee independente. Iar restul sistemului ar trebui să fie folosit doar pentru stabilirea unui canal vocal, urmând apoi să fie eliberat pentru a deservi un alt apel. Astfel, Betulander a ajuns la ideea ulterior cunoscută sub numele de „control comun” (common control).
Schema care stochează numărul apelului de intrare a fost denumită „recorder” (un alt termen este registru). Iar schema care găsește în rețea și „marchează” conexiunea disponibilă a fost numită „marker”. Autorul și-a patentat sistemul. Mai multe astfel de stații au apărut în Stockholm și Londra. Iar în 1918, Betulander a aflat despre invenția americană: un comutator coordonat, creat de inginerul Bell John Reynolds cu cinci ani înainte. Acest comutator era foarte asemănător cu dezvoltarea lui Betulander, dar utiliza n + m relee pentru gestionarea n + m nodurilor matricei, ceea ce era mult mai convenabil pentru extinderea ulterioară a stațiilor telefonice. La stabilirea conexiunii, bara de susținere strângea „degetele” din corzile de pian, iar bara selectoare se deplasa prin matrice pentru a se conecta la un alt apel. În anul următor, Betulander a implementat această idee în construcția propriului său comutator.
Însă majoritatea inginerilor considerau creația lui Betulander ca fiind ciudată și excesiv de complicată. Când a venit momentul să aleagă un sistem de comutare pentru automatizarea rețelelor celor mai mari orașe suedeze, Telegrafverket a preferat proiectul dezvoltat de compania Ericsson. Comutatoarele lui Betulander au fost utilizate doar în stații telefonice mici din zonele rurale: releele erau mai fiabile decât automatizarea motorizată a comutatoarelor Ericsson și nu necesitau tehnicieni de întreținere la fiecare stație.
Cu toate acestea, inginerii telefonici americani aveau o altă părere cu privire la aceasta. În 1930, specialiști de la Bell Labs au venit în Suedia și au fost „foarte impresionați de parametrii modulului de comutare coordonat”. Întorcându-se, americanii au început imediat să lucreze la ceea ce a devenit cunoscut sub numele de „sistemul coordonat nr. 1”, care a înlocuit comutatoarele panel în orașele mari. Până în 1938, două astfel de sisteme fuseseră instalate în New York. În curând, ele au devenit echipamente standard pentru stațiile telefonice urbane, până când, după mai mult de 30 de ani, au fost înlocuite de comutatoarele electronice.
Cel mai interesant component al comutatorului de coordonate nr. 1 a fost noul marker, mai complex, dezvoltat de Bell. Acesta era destinat să găsească un traseu liber de la apelant la apelat prin mai multe module de coordonate interconectate, creând astfel o conexiune telefonică. De asemenea, markerul trebuia să testeze fiecare conexiune pentru starea „liber”/„ocupat”. Acest lucru necesita aplicarea unei logici condiționale. Așa cum a scris istoricul Robert Chapuis:
Alegerea este condiționată, deoarece o conexiune liberă este menținută doar dacă oferă acces la sina de coordonate, care are ca ieșire o conexiune liberă către nivelul următor. Dacă mai multe seturi de conexiuni îndeplinesc condițiile necesare, atunci „logica prioritară” (preferential logic) alege una dintre [cele existente] cele mai puțin numeroase conexiuni…
Comutatorul de coordonate este un exemplu excelent de îmbogățire reciprocă a ideilor tehnologice. Betulander a creat propriul său comutator complet pe bază de relee, apoi l-a îmbunătățit cu matricea de comutare Reynolds și a demonstrat funcționalitatea construcției obținute. Inginerii AT&T au reproiectat ulterior acest comutator hibrid, l-au îmbunătățit și au creat sistemul de coordonate nr. 1. Ulterior, acest sistem a devenit component al două dintre primele mașini de calcul, una dintre ele fiind acum considerată un punct de referință în istoria tehnicii de calcul.
Calcul matematic
Pentru a înțelege cum și de ce releele și verii lor electronici au revoluționat tehnica de calcul, va fi necesară o scurtă incursiune în lumea calculilor matematice. După aceasta, va deveni clar de ce a apărut o cerere ascunsă pentru optimizarea proceselor de calcul.
La începutul secolului XX, întreaga sistemă a științei și ingineriei moderne era bazată pe munca a mii de oameni care efectuasere calcule matematice. Aceștia erau numiți computere (computers) [Pentru a evita confuzia, în continuare va fi folosit termenul calculatoare. — Notă a traductorului.] Încă din anii 1820, Charles Babbage a creat (deși aparatele sale aveau predecesori ideologici). Sarcina sa principală era automatizarea construcției tabelurilor matematice, de exemplu pentru navigație (calculul funcțiilor trigonometrice prin aproximări polinomiale la 0 grade, 0,01 grade, 0,02 grade etc.). De asemenea, cererea pentru calcul matematice era mare în astronomie: era necesară prelucrarea rezultatelor brute ale observațiilor telescopice în zone fixe ale sferei cerești (fără dependență de vremea și data observațiilor) sau determinarea orbitelor obiectelor noi (de exemplu, cometa Halley).
De la vremea lui Babbage, nevoia de mașini de calcul a crescut exponențial. Companiile de energie electrică trebuiau să înțeleagă comportamentul sistemelor de transfer al energiei cu proprietăți dinamice extrem de complexe. Tunurile din oțel Bessemer, capabile să lanseze proiectile peste orizont (așadar, datorită observației directe a țintei, acestea nu mai erau ghidate), necesitau tabele balistice din ce în ce mai precise. Noile instrumente statistice, care implicau un volum mare de calcule matematice (de exemplu, metoda celor mai mici pătrate), erau folosite tot mai mult atât în știință, cât și în creșterea aparatului de stat. În universități, instituții guvernamentale și corporații industriale au apărut departamente de calcul, în care de obicei erau angajate femei.
Calculatoarele mecanice au facilitat doar sarcina calculului, dar nu au rezolvat-o. Calculatoarele au accelerat operațiile aritmetice, dar orice problemă științifică sau ingineresc complexă necesita sute sau mii de operații, fiecare dintre care calculatorul (omul) trebuia să le efectueze manual, înregistrând cu atenție toate rezultatele intermediare.
Apariția unor noi abordări privind problema calculului matematic a fost facilitată de mai mulți factori. Tinerii cercetători și ingineri, care își petreceau nopțile calculând cu dificultate problemele, își doreau să-și ofere o pauză mâinilor și ochilor. Liderii de proiect erau nevoiți să aloce din ce în ce mai mulți bani pentru salariile numerosi calculatori, mai ales după Primul Război Mondial. În cele din urmă, multe dintre problemele științifice și inginerie avansate erau greu de calculat manual. Toți acești factori au dus la crearea unor serii de mașini de calcul, proiectarea cărora a fost condusă de Vannevar Bush – un inginer electrician de la Institutul Tehnologic din Massachusetts (MIT).
Analizor diferențial
Până în acel moment, istoria fusese adesea personalizată, dar acum vom vorbi mai mult despre oameni specifici. Celebrarea a ocolit creatorii comutatorului de tip panou, releul de tip E și schema markerului de coordonate. Despre ei nu au rămas nici măcar anecdotă biografică. Singurele dovezi accesibile ale vieții lor sunt resturile fosile ale mașinilor pe care le-au creat.
Acum putem obține o înțelegere mai profundă a oamenilor și a trecutului lor. Dar nu-i vom mai întâlni pe cei care au muncit din greu pe mansarde și în atelierele lor de acasă – Morse și Vail, Bell și Watson. La sfârșitul Primului Război Mondial, era inventatorilor eroici era aproape încheiată. Thomas Edison poate fi considerat o figură de tranziție: la începutul carierei sale era un inventator angajat, iar la sfârșitul ei a devenit proprietarul unei 'fabrica de invenții'. Până atunci, dezvoltarea celor mai semnificative tehnologii noi devenise o proprietate a organizațiilor – universități, divizii de cercetare ale corporațiilor, laboratoare guvernamentale. Oamenii despre care vom vorbi în această secțiune făceau parte tocmai din astfel de organizații.
De exemplu, Vannevar Bush. El a ajuns la MIT în 1919, la vârsta de 29 de ani. După puțin peste 20 de ani, a devenit unul dintre cei care au influențat angajamentul SUA în al Doilea Război Mondial și a ajutat la creșterea finanțării guvernamentale, ceea ce a schimbat pentru totdeauna relațiile dintre guvern, mediul academic și dezvoltarea științei și tehnologiei. Însă, în cadrul acestui articol, ne interesează seria de mașini care au fost dezvoltate în laboratorul lui Bush începând cu mijlocul anilor 1920 și care erau destinate soluționării problemelor de calcul matematic.
MIT, recent mutat din centrul Boston-ului pe malul râului Charles în Cambridge, a fost strâns legat de nevoile industriei. Însuși Bush, pe lângă activitatea sa de profesor, avea interese financiare în mai multe afaceri din domeniul electronicii. Așadar, nu ar trebui să vă surprindă faptul că problema care l-a condus pe Bush și studenții săi la lucrul asupra unui nou dispozitiv de calcul a apărut în industria energetică: a fost necesar să se modeleze comportamentul liniilor electrice în condiții de sarcină maximă. Este evident că aceasta a fost doar una dintre numeroasele aplicații posibile ale mașinilor de calcul: calculele matematice obositoare se desfășurau peste tot.
Bush și colegii săi au construit mai întâi două mașini, care au fost denumite integratoare de produs (product integraphs). Dar cea mai cunoscută și reușită mașină de la MIT a fost alta — analizator diferențial, finalizată în 1931. Aceasta rezolva probleme legate de transmiterea energiei electrice, calcula orbitele electronilor, traiectoriile radiației cosmice în câmpul magnetic al Pământului și multe altele. Cercetătorii din întreaga lume, care aveau nevoie de putere de calcul, au creat în anii 1930 zeci de copii și variante ale analizatorului diferențial. Unele — chiar din Meccano (echivalentul englezesc al seturilor de construit americane de tip ).
Analizatorul diferențial este un calculator analogic. Funcțiile matematice erau calculate cu ajutorul unor tije metalice rotative, viteza de rotație a fiecărei tije reflectând o anumită valoare cantitativă. Un motor acționa o tijă independentă — variabilă (de obicei aceasta reprezenta timpul), care, la rândul său, prin intermediul conexiunilor mecanice, rotea alte tije (diferite variabile diferențiale), iar pe baza vitezei de rotație de intrare se calcula funcția. Rezultatele calculelor erau desenate pe hârtie sub formă de curbe. Cele mai importante componente erau integratorii — roți învârtite de discuri. Integratorii puteau calcula integrala unei curbe fără calcule manuale obositoare.
Analizatorul diferențial. Modulul integrator — cu capac deschis, de partea feronerie se află mesele cu rezultatele calculelor, iar în mijloc — un complex de tije de calcul.
Niciunul dintre componentele analizatorului nu conținea relee de comutare discrete sau comutatoare digitale. Atunci de ce vorbim despre acest dispozitiv? Răspunsul îl dă patru un aparat din familia.
La începutul anilor 1930, Bush a început să se occupe de Fondul Rockefeller pentru a obține finanțare pentru dezvoltarea ulterioară a analizatorului. Warren Weaver, șeful departamentului științelor naturale al fondului, inițial nu a fost convins. Ingineria nu intrase în competențele sale. Cu toate acestea, Bush a promovat potențialul nelimitat al noii sale mașini în ceea ce privește aplicațiile științifice — mai ales în biologia matematică, proiectul preferat al lui Weaver. De asemenea, Bush a promis numeroase îmbunătățiri ale analizatorului, inclusiv „capabilitatea de a comuta rapid analizatorul de la o problemă la alta, precum un comutator telefonic”. În 1936, eforturile sale au fost răsplătite cu un grant de 85.000 de dolari, alocat pentru crearea unui nou dispozitiv, care mai târziu a fost numit analizatorul diferențial Rockefeller.
Ca analist practic, acest analizator nu a fost o inovație remarcabilă. Bush, care a devenit vicepreședinte la MIT și decan al facultății de inginerie, nu a putut să dedice mult timp conducerii dezvoltării. De fapt, el s-a retras rapid, ocupându-se cu atribuțiile de președinte al Institutului Carnegie din Washington. Bush simțea apropierea războiului și avea câteva idei științifice și tehnice care ar putea răspunde nevoilor forțelor armate. Adică, dorea să fie mai aproape de centrul de putere, unde ar putea influența mai eficient deciziile legate de anumite probleme.
Între timp, problemele tehnice impuse de noua construcție erau rezolvate de angajații laboratorului, iar în curând au început să fie distrasi pentru a lucra la sarcini militare. Mașina Rockefeller a fost finalizată abia în 1942. Armata a considerat-o utilă pentru producția în serie de tabele balistice pentru artilerie. Dar în curând, acest dispozitiv a fost eclipsează pur și simplu computerele digitale — care reprezentau numerele nu ca magnitudini fizice, ci abstract, prin intermediul pozițiilor comutatoarelor. Așa s-a întâmplat că în analistul Rockefeller au fost utilizate destul de multe dintre aceste comutatoare, compuse din scheme de relee. Shannon
În 1936, Claude Shannon avea doar 20 de ani, dar deja absolvise Universitatea din Michigan cu o diplomă de licență în două domenii: inginerie electrică și matematică. La MIT l-a adus un fluturaș publicitar prins de panoul de anunțuri. Veniwar Bush căuta un nou asistent pentru a lucra la analizatorul diferențial. Shannon a aplicat fără ezitare și în curând a început să lucreze la probleme noi, iar abia după aceea, noul dispozitiv a început să prindă formă.
În 1936, Claude Shannon avea doar 20 de ani, dar deja absolvise Universitatea din Michigan cu o diplomă de licență în două specializări: inginerie electrică și matematică. La MIT, l-a adus un fluturaș publicitar, atașat de tabloul de anunțuri. Vannevar Bush căuta un nou asistent pentru a lucra la analizatorul diferențial. Shannon a aplicat fără ezitare și, în curând, a început să lucreze la problemele recente, iar abia după aceea noul dispozitiv a început să prindă formă.
Shannon nu semăna deloc cu Bush. Nu era nici om de afaceri, nici constructor de imperii academice, nici administrator. Întreaga lui viață a iubit jocurile, puzzle-urile și distracțiile: șah, jonglerie, labirinturi, criptograme. Ca mulți bărbați din epoca sa, în timpul războiului, Shannon s-a dedicat unei activități serioase: a ocupat o poziție prin contract guvernamental la Bell Labs, ceea ce i-a protejat corpul fragil de recrutarea militară. Cercetările sale în gestionarea tragerii și criptografie din acea periodă au condus, la rândul său, la apariția unei lucrări fundamentale în teoria informației (nu ne vom ocupa de aceasta). În anii '50, când războiul și consecințele sale s-au stins, Shannon s-a întors la predare la MIT, petrecând timpul liber cu distracții: o calculatoare care funcționa exclusiv cu cifre romane; o mașină care, atunci când era activată, producea un braț mecanic care opria aparatul.
Structura mașinii Rockefeller cu care s-a confruntat Shannon a rămas logic aceeași ca cea a analizatorului din 1931, dar a fost construită din componente fizice complet diferite. Bush a înțeles că tijele și transmisiile mecanice din vechile mașini reduceau eficiența utilizării acestora: pentru a efectua calculele, era necesar să se ajusteze mașina, ceea ce necesita multe ore de muncă ale mecanicilor calificați.
Noul analizator nu avea această neajuns. La baza construcției sale nu era o masă cu tijele, ci un comutator coordonat — un prototip suplimentar, donat de Bell Labs. În loc să transmită puterea de la arborele central, fiecare modul integrat era acționat independent de un motor electric. Pentru a configura mașina pentru a rezolva o nouă problemă, era suficient să se reconfigureze releul în matricea coordonatelor, pentru a conecta integratoarele în ordinea dorită. Cititorul de bandă perforată (împrumutată dintr-un alt dispozitiv de telecomunicație, teletipul cu rolă) citea configurația mașinii, iar schema de releu transforma semnalul de pe bandă în semnale de control pentru matrice — aceasta semăna cu stabilirea unei serii de apeluri telefonice între integratoare.
Noua mașină nu doar că era mult mai rapidă și mai ușor de configurat, dar funcționa și mai repede și mai precis decât predecesorul său. Aceasta putea rezolva sarcini mai complexe. Astăzi, acest computer poate fi considerat primitiv, chiar extravagant, dar pe atunci părea observatorilor o minte mare — sau, poate, teribilă — funcționând.
Practic, este un robot matematic. Un automat acționat electric, creat nu doar pentru a ridica de pe creierul uman povara unor calcule și analize grele, ci și pentru a aborda sarcinile matematice care nu pot fi soluționate mental și a le rezolva.
Shannon s-a concentrat pe transformarea datelor de pe banda de hârtie în instrucțiuni pentru „creier”, proces pentru care era responsabil un circuit cu relee. A observat corespondența dintre structura circuitului și structurile matematice ale algebrei booleene, pe care o studia în anul terminal la Michigan. Aceasta este o algebră a cărei operanzi erau ADEVĂR și FALS, iar operatorii — ȘI, SAU, NU etc. Algebra care corespundea afirmațiilor logice.
Petrecând vara anului 1937 lucrând la Bell Labs din Manhattan (un loc ideal pentru a reflecta asupra circuitelor cu relee), Shannon a scris o teză de masterat intitulat „Analiza simbolică a circuitelor cu relee și comutare” (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Împreună cu munca lui Alan Turing, realizată cu un an înainte, teza lui Shannon a pus bazele științei calculatoarelor.
În anii 1940–1950, Shannon a construit mai multe mașini de calcul/logice: un calculator cu numerație romană THROBAC, o mașină pentru finaluri de partide de șah, precum și Theseus — un labirint prin care se deplasa un șoarece electromechanic (în fotografie)
Shannon a descoperit că sistemul de ecuatii al logicii propoziționale putea fi transformat mecanic direct într-un circuit fizic cu relee. El a concluzionat: „De fapt, orice operație care poate fi descrisă într-un număr finit de pași folosind cuvinte DACĂ, ȘI, SAU etc., poate fi realizată automat cu ajutorul releelor”. De exemplu, două relee de comutare controlate, conectate în serie, formează o logică. Și: curentul va circula prin conductorul principal doar atunci când ambele electromagneți sunt activati pentru a închide comutatoarele. În același timp, două relee conectate în paralel formează SAU: curentul circulă prin circuitul principal, activat de unul dintre electromagneți. Ieșirile unui astfel de circuit logic pot, la rândul lor, să controleze electromagneții altor relee pentru a obține operații logice mai complexe, precum (A Și B) sau (V Și G).
Shannon a încheiat disertația cu o anexă conținând câteva exemple de scheme create prin metoda sa. Deoarece operațiile algebrei booleene sunt foarte asemănătoare cu operațiile aritmetice din sistemul binar (adică folosind numere binare), el a demonstrat cum se poate construi din relee un «suma electric» în sistem binar — noi numim aceasta un adunător binar. Câteva luni mai târziu, unul dintre cercetătorii de la Bell Labs a realizat un astfel de adunător pe masa din bucătărie.
Stibitz
George Stibitz, un cercetător din departamentul de matematică de la Bell Labs din Manhattan, a adus acasă, într-o seară întunecată de noiembrie din 1937, un set ciudat de echipamente. Celule de baterie uscată, două becuri mici pentru tablouri de hardware și câteva relee plate de tip U găsite în o cutie de gunoi. Adăugând câteva fire și niște resturi, el a construit un dispozitiv capabil să adune două numere binare pe un singur bit (reprezentate prin prezența sau absența tensiunii de intrare) și să afișeze un număr de două cifre folosind becuri: unu — pornit, zero — oprit.
Adunătorul binar al lui Stibitz
Stibitz, cu o pregătire în fizică, a fost rugat să evalueze proprietățile fizice ale magnetilor releelor. Anterior, el nu avusese deloc experiență cu releele și, prin urmare, a început cu studierea utilizării lor în schemele telefonice de la Bell. În curând, George a observat similarități între anumite scheme și operațiile aritmetice cu numere binare. Intrigat, el a adunat pe masa din bucătărie un proiect secundar.
La început, joaca lui Stibitz cu releele a stârnit puțin interes din partea conducerii de la Bell Labs. Dar în 1938, șeful grupului de cercetare l-a întrebat pe George dacă calculatoarele lui pot fi folosite pentru operații aritmetice cu numere complexe (de exemplu, a + bi, unde i — rădăcina pătrată a unui număr negativ). S-a descoperit că mai multe departamente de calcul de la Bell Labs se plângeau deoarece trebuiau constant să înmulțească și să împartă astfel de numere. Înmulțirea unui număr complex necesita patru operații aritmetice pe un calculator de birou, iar împărțirea — 16 operații. Știbic a afirmat că poate rezolva problema și a dezvoltat un schematic pentru o mașină capabilă de astfel de calcule.
Construcția finală, realizată în metal de inginerul telefonic Samuel Williams, a fost denumită Computer pentru Numere Complexe — sau Computer Complex pe scurt — și a fost pusă în funcțiune în 1940. Pentru calcule au fost utilizate 450 de relee, iar rezultatele intermediare erau păstrate în zece comutatoare coordonate. Datele erau introduse și recepționate folosind un teletip cu rolă. În departamentele Bell Labs au fost instalate trei astfel de teletipuri, ceea ce arată nevoile mari de putere de calcul. Releele, matricea, teletipurile — în toate privințele, acesta era un produs al sistemului Bell.
Momentul de glorie al Computerului Complex a avut loc pe 11 septembrie 1940. Știbic a prezentat raportul despre computer la o întâlnire a Societății Americane de Matematică la Colegiul Dartmouth. El a aranjat ca acolo să fie instalat un teletip cu o conexiune telegrfică la Computerul Complex din Manhattan, aflat la 400 de kilometri distanță. Cei dornici puteau să se apropie de teletip, să introducă pe tastatură condițiile problemei și să vadă cum, în mai puțin de un minut, teletipul tipărește rezultat magic. Printre cei care au testat noutatea s-au numărat John Mauchly și John von Neumann, fiecare dintre ei urmând să joace un rol important în continuarea poveștii noastre.
Participanții la întâlnire au avut un scurt glimpse al viitorului. Ulterior, calculatoarele au devenit atât de scumpe încât administratorii nu mai puteau permite să stea nepăsătoare, în timp ce utilizatorul își gândea următoarele comenzi la consola de control. În următorii 20 de ani, oamenii de știință vor gândi cum pot crea calculatoare de uz general, care să fie întotdeauna pregătite să primească date, chiar lucrând în același timp la altceva. Și apoi vor mai trece încă 20 de ani până când acest mod interactiv de calcul va deveni o normă.
Știbiț la terminalul interactiv de la Dartmouth în anii 1960. Colegiul Dartmouth a fost un pionier în domeniul calculului interactiv. Știbiț a devenit profesor la colegiu în 1964.
Este surprinzător că, în ciuda problemelor pe care le rezolva, Complex Computer nu era, conform standardelor moderne, un computer. Putea efectua operații aritmetice cu numere complexe și, probabil, rezolva și alte sarcini similare, dar nu sarcini de uz general. Nu era programabil. Nu putea efectua operații în ordine aleatorie sau repetat. Era un calculator capabil să facă anumite calcule mult mai bine decât predecesorii săi.
Odată cu începerea celui de-al Doilea Război Mondial, la Bell, sub conducerea lui Știbiț, a fost creată o serie de computere numite Model II, Model III și Model IV (Complex Computer a primit numele Model I). Cele mai multe dintre ele au fost construite la cererea Comitetului Național de Cercetare pentru Apărare, condus de nimeni altul decât Vannevar Bush. Știbiț a îmbunătățit schema mașinilor din punct de vedere al versatilității funcțiilor și programabilității.
De exemplu, Ballistic Calculator (mai târziu Model III) a fost elaborat pentru nevoile sistemelor de control al tirului antiaerian. A fost pus în funcțiune în 1944 la Fort Bliss, Texas. Dispozitivul conținea 1400 de relee și putea executa un program de operații matematice, determinat de o secvență de instrucțiuni pe o bandă de hârtie înlănțuită. Datele de intrare erau furnizate pe o bandă separată, în timp ce datele tabelare pe alta. Acest lucru permitea găsirea rapidă a valorilor, de exemplu, funcțiilor trigonometrice fără calcule reale. Inginerii de la Bell au dezvoltat scheme speciale de căutare (hunting circuits), care scanuiau banda înainte/înapoi și căutau adresa valorii tabelare dorite, independent de calcule. Știbiț a stabilit că computerul său Model III, clicăind zile și nopți releele, înlocuia 25-40 de calculatoare.
Rack-uri cu relee Bell Model III
Mașina Model V nu a mai avut ocazia să fie utilizată în serviciul militar. A devenit și mai versatilă și puternică. Dacă evaluăm numărul de computere pe care le înlocuia, era de aproximativ zece ori mai performantă decât Model III. Câteva module de calcul cu 9 mii de relee puteau primi date de intrare de la mai multe stații, unde utilizatorii introduceau condițiile diferitelor probleme. Fiecare astfel de stație avea un cititor de bandă pentru introducerea datelor și cinci pentru instrucțiuni. Acest lucru permitea, în timpul calculării unei probleme de pe banda principală, apelarea diferitelor subprograme. Modulul de control principal (practic, echivalentul unui sistem de operare) distribuia instrucțiunile modulelor de calcul în funcție de disponibilitate, iar programele puteau efectua salturi condiționale. Aceasta nu era doar o simplă calculatoare.
Anul minunilor: 1937
Anul 1937 poate fi considerat un moment de răscruce în istoria mașinilor de calcul. În acel an, Shannon și Stibitz au observat asemănarea între schemele de relee și funcțiile matematice. Aceste concluzii au dus Bell Labs la crearea unei serii întregi de mașini digitale importante. A fost un fel de — sau chiar înlocuire, — când un modest releu telefonic, fără a-și schimba forma fizică, a devenit întruchiparea matematicii și logicii abstracte.
În aceeași anul, în numărul din ianuarie al publicației Proceedings of the London Mathematical Society a apărut articolul matematicianului britanic Alan Turing „Despre numerele calculabile în legătură cu ” (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). În acest articol, a fost descrisă o mașină universală de calcul: autorul susținea că aceasta ar putea efectua acțiuni, echivalent logic cu acțiunile oamenilor-calculator. Turing, care în anul precedent a intrat în programul de studii postuniversitare la Universitatea Princeton, a fost de asemenea intrigat de schemele de relee. Și, la fel ca Bush, îngrijorat de amenințarea tot mai mare a războiului cu Germania. Așadar, s-a apucat de un proiect criptografic extern — un multiplicator binar, care putea fi utilizat pentru criptarea mesajelor militare. Turing l-a construit din relee, adunate în atelierul mecanic al universității.
În același an 1937, Howard Aiken reflecta asupra unei mașini de calcul automate presupuse. Doctorandul în inginerie electrică de la Harvard, Aiken, își făcea o mare parte din calcule doar cu un calculator mecanic și cărți tipărite cu tabele matematice. El a propus o construcție care ar elimina această rutină. Spre deosebire de dispozitivele de calcul existente, aceasta urma să proceseze automat și ciclic procesele, folosind rezultatele calculelor anterioare ca date de intrare pentru următoarele.
Între timp, la Nippon Electric Company, inginerul de telecomunicații Akira Nakashima studia încă din 1935 conexiunile dintre schemele de releu și matematică. În cele din urmă, în 1938, el a demonstrat singur echivalența schemelor de releu cu algebra booleană, pe care Shannon o descoperise cu un an înainte.
În Berlin, Konrad Zuse, fost inginer aeronautic obosit de calculele infinite necesare la locul de muncă, căuta fonduri pentru a crea a doua mașină de calcul. Nu a reușit să facă să funcționeze fiabil primul său dispozitiv mecanic - V1, așa că voia să construască un computer cu relee, pe care l-a dezvoltat împreună cu prietenul său, inginerul de telecomunicații Helmut Schreyer.
Versatilitatea releelor telefonice, concluziile privind logica matematică, dorința unor minți strălucitoare de a scăpa de munca plictisitoare - toate acestea s-au împletit și au dus la apariția conceptului de mașină logică de un nou tip.
O generație uitată
Roadele descoperirilor și dezvoltărilor din 1937 au avut nevoie să se coacă câțiva ani. Războiul s-a dovedit a fi cel mai puternic îngrășământ, iar odată cu venirea sa, computerele cu relee au început să apară peste tot acolo unde exista expertiza tehnică necesară. Logica matematică a devenit grila pentru vițele ingineriei electrice. Au apărut noi forme de mașini de calcul programabile - primul schiță a computerelor moderne.
În plus față de mașinile Știbita, până în 1944, SUA se puteau lăuda cu dispozitivul Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), rezultatul propunerii lui Aiken. Dublul nume a apărut din cauza deteriorării relațiilor dintre mediul academic și industrie: toți își revendicau drepturile asupra dispozitivului. Mark I / ASCC folosea scheme de control cu relee, dar modul aritmetic principal era construit pe arhitectura calculatorului mecanic IBM. Mașina a fost creată pentru nevoile biroului de construcții navale din SUA. Moștenitoarea sa, Mark II, a început să funcționeze în 1948 pe poligonul de testare al Marinei, iar toate operațiunile sale se bazau exclusiv pe relee — pe 13 mii de relee.
Czuse, în timpul războiului, a construit mai multe computere cu relee, tot mai complexe. Culminarea a fost V4, care, ca și Bell Model V, includea instalări pentru apelarea subprogramelor și efectua bifurcații condiționate. Din cauza lipsei de materiale în Japonia, niciuna dintre lucrările lui Nakamura și ale colegilor săi nu a fost materializată în metal, până când țara nu s-a recuperat după război. În anii 1950, ministerul refondat al comerțului exterior și industriei a finanțat crearea a două mașini cu relee, a doua dintre ele fiind un monstru cu 20 de mii de relee. Compania Fujitsu, implicată în creația sa, a dezvoltat propriile produse comerciale.
Astăzi, aceste mașini sunt aproape complet uitate. În memorie a rămas doar un nume — ENIAC. Motivul uitării nu se referă la complexitatea, sau capacitățile, sau viteza lor. Proprietățile de calcul și logice ale releelor, descoperite de oameni de știință și cercetători, se aplică oricărui tip de dispozitive care pot acționa ca un comutator. Și așa s-a întâmplat că a fost disponibil un alt dispozitiv similar — comutatorul care putea să comute de sute de ori mai repede decât releele.
Importanța celui de-al Doilea Război Mondial în istoria vieții mașinilor de calcul ar trebui să fie deja evidentă. Cel mai teribil război a fost un impuls pentru dezvoltarea mașinilor electronice. Începerea sa a eliberat resursele necesare pentru a depăși deficiențele evidente ale comutatoarelor electronice. Dominanța calculatoarelor electromechanice s-a dovedit a fi de scurtă durată. La fel ca titanii, ele au fost înlăturate de propriile lor creații. La fel ca și releele, comutarea electronică a apărut din nevoile industriei telecomunicațiilor. Iar pentru a afla de unde provine aceasta, trebuie să ne întoarcem în istoria noastră până în zorii epocii radio.
Sursa: habr.com
