Ďalšie články cyklu:
- História relé
- História elektronických počítačov
- História tranzistora
- História internetu
Ako sme videli v , rádio a telefonní inžinieri v hľadaní výkonnejších zosilňovačov objavili novú technologickú oblasť, ktorú rýchlo nazvali elektronikou. Elektronický zosilňovač sa dal ľahko premeniť na digitálny prepínač, ktorý fungoval s oveľa väčšou rýchlosťou ako jeho elektromechanický príbuzný – telefonné relé. Vďaka absencii mechanických súčastí mohla elektronická lampa zapínať a vypínať za mikrosekundu alebo ešte rýchlejšie, namiesto desiatok milisekúnd alebo viac, ktoré si vyžadovalo relé.
V období od 1939 do 1945 sa na základe týchto nových elektronických komponentov vytvorili tri počítače. Dátumy ich výstavby náhodou korespondujú s obdobím druhej svetovej vojny. Tento konflikt – bezprecedentný v histórii kvôli tomu, ako podrobil ľudí jarme vojnového voza – navždy zmenil vzťahy medzi štátmi, ako aj medzi vedou a technológiou, a priniesol do sveta množstvo nových zariadení.
Príbehy troch prvých elektronických počítačov sú prepletené s vojnou. Prvý bol zasvätený dešifrovaniu nemeckých správ a zostal v utajení až do 70. rokov, keď už nepredstavoval žiadny záujem, okrem historického. Druhým, o ktorom by väčšina čitateľov mala počuť, bol ENIAC, vojenský kalkulátor, ktorý dokončili príliš neskoro na to, aby pomohol vo vojne. Ale tu sa pozrieme na najskorší z týchto troch strojov, výtvor .
Atanasov
V roku 1930 Atanasov, narodený v Amerike ako syn emigranta z , konečne dosiahol svoj mladistvý sen a stal sa teoretickým fyzikom. Ale, ako v prípade väčšiny takýchto ambícií, realita sa ukázala byť iná, ako očakával. Konkrétne, ako väčšina študentov inžinierskych a fyzikálnych vied prvej polovice 20. storočia, Atanasov musel trpieť trápeniami neustáleho počítania. Jeho dizertácia na Wisconsinskej univerzite o polarizácii hélia si vyžadovala osem týždňov nudného počítania s pomocou mechanického stolného kalkulátora.
John Atanasov v mladosti
Do roku 1935, keď sa už usadil na pozícii profesora na Iowa State University, sa Atanasov rozhodol niečo urobiť s týmto bremenom. Začal uvažovať o možných spôsoboch, ako postaviť novú, výkonnejšiu výpočtovú mašinu. Odmietol analógové metódy (ako napríklad diferenciálny analyzátor MIT) kvôli ich obmedzenosti a nepresnosti a rozhodol sa skonštruovať digitálnu mašinu, ktorá pracovala s číslami ako s diskrétnymi hodnotami, a nie ako s kontinuálnymi meraniami. Od mladosti bol oboznámený s dvojkovým číselným systémom a chápal, že sa oveľa lepšie hodí na štruktúru stavu zapnuté/vypnuté digitálneho spínača než bežné desatinné čísla. Preto sa rozhodol vytvoriť dvojkovú mašinu. A nakoniec sa rozhodol, že aby bola čo najrýchlejšia a najflexibilnejšia, musí byť elektronická a využívať elektronické lampy na výpočty.
Atanasov si musel určiť aj priestor úloh — na aké presne výpočty mal jeho počítač slúžiť? Nakoniec sa rozhodol, že sa bude zaoberať riešením systémov lineárnych rovníc zjednodušením na jedinú premennú (pomocou ) — rovnaké výpočty, ktoré prevládali v jeho dizertácii. Mal by podporovať až tridsať rovníc, s až tridsiatimi premennými v každom. Takýto počítač by mohol riešiť dôležité úlohy pre vedcov a inžinierov, a pritom sa javí, že nebol nepredstaviteľne zložitý.
Dielo umenia
Na polovici 30. rokov dosiahla elektronická technológia mimoriadne široké spektrum v porovnaní s pôvodnými vývojmi, ktoré sa objavili pred 25 rokmi. Dva vynálezy obzvlášť dobre vyhovovali projektu Atanasova: relé-flip-flop a elektronický čítač.
Od 19. storočia mali inžinieri telegrafu a telefónu k dispozícii pohodlné zariadenie nazvané prepínač. Prepínač je bistabilné relé, ktoré využíva trvalé magnety na udržanie svojej pozície, či už otvorenej alebo zatvorenej, až do prijatia elektrického signálu na prepnutie stavov. Elektrónkové lampy však mali na to obmedzené schopnosti. Nemali mechanickú súčasť a mohli byť „otvorené“ alebo „zatvorené“, ak prúd pretekal alebo neprechádzal obvodom. V roku 1918 dvaja britskí fyzici, William Eccles a Frank Jordan, prepojili drôtmi dve lampy tak, aby vzniklo „relé spúšť“ — elektronické relé, ktoré ostáva stále zapnuté po aktivácii pôvodným impulzom. Eccles a Jordan vytvorili svoj systém na telekomunikačné účely pre Britské admirality na konci prvej svetovej vojny. Avšak obvod Ecclesa-Jordana, ktorý sa neskôr stal známy ako spúšť [angl. flip-flop], sa dal považovať aj za zariadenie na uchovávanie binárneho čísla — 1, ak je signál prenášaný, a 0 v opačnom prípade. Týmto spôsobom prostredníctvom n spúští mohlo byť reprezentované binárne číslo n bitov.
Približne desať rokov po spúšti nastal druhý významný pokrok v elektronike, ktorý sa stretol so svetom výpočtov: elektronické počítače. A opäť, ako to často bývalo v raných dejinách výpočtov, nuda sa stala matkou vynálezu. Fyzici, ktorí skúmali emisie subatomárnych častíc, museli buď počúvať cvakanie, alebo hodiny preskúmavať fotografické záznamy, počítajúc množstvo detekcií na meranie rýchlosti emisie častíc rôznymi látkami. Mechanické alebo elektromagnetické počítače predstavovali lákavú možnosť, ako zjednodušiť tieto úkony, ale pohybovali sa príliš pomaly: nedokázali zaznamenať množstvo udalostí, ktoré sa odohrávali s rozdielom milisekúnd.
Kľúčovou postavou pri riešení tohto problému bol , ktorý pracoval pod vedením Ernesta Rutherforda v Cavendishovej laboratórii na Cambridge University. Wynn-Williams zručne manipuloval s elektronikou a už používal lampy (alebo ventily, ako ich nazývali v Británii) na vytváranie zosilňovačov, ktoré umožňovali počuť udalosti, ktoré sa odohrávali s časticami. Na začiatku 30. rokov si uvedomil, že ventily môžu byť použité na vytvorenie počítača, ktorý nazval „počítač binárneho rozsahu“ — teda binárny počítač. V podstate to bola súprava spúšťačov, ktoré mohli prenášať prechody nahor po reťazci (v praxi použil , typy lámp, ktoré neobsahovali vákuum, ale plyn a mohli zostať v zapnutom stave po úplnej ionizácii plynu).
Wynn-Williamsov počítač rýchlo zaviedol do súpravy potrebných laboratórnych zariadení pre všetkých, ktorí sa zaoberali fyzikou častíc. Fyzici vyrábali veľmi malé počítače, ktoré často obsahovali tri znaky (t.j. schopné počítať do siedmich). pre pomalý mechanický počítač a na zaznamenávanie udalostí, ktoré sa odohrávali rýchlejšie, než ich mohol zaznamenať počítač s pomaly sa pohybujúcimi mechanickými časťami.
Ale teoreticky bolo možné takéto počítače rozšíriť na čísla ľubovoľnej veľkosti alebo presnosti. Tieto boli, striktne vzaté, prvé digitálne elektronické počítacie stroje.
Počítač Atanasova-Berryho
Atanasov bol s touto históriou oboznámený, čo ho presvedčilo o možnosti vytvorenia elektronického počítača. Ale priamo sa nerozhodol použiť binárne počítače alebo spúšťače. Najskôr sa snažil použiť trochu upravené počítače ako základ počítacej sústavy — veď čo je sčítanie, ak nie opakované počítanie? Ale z nejakého dôvodu sa mu nepodarilo vytvoriť dostatočne spoľahlivé počítacie obvody a musel vyvinúť svoje vlastné schémy sčítania a násobenia. Nemohol použiť spúšťače na dočasné ukladanie binárnych čísel, keďže mal obmedzený rozpočet a bol stanovený ambiciózny cieľ súčasného uloženia tridsiatich koeficientov. Ako čoskoro uvidíme, táto situácia mala vážne dôsledky.
Do roku 1939 Atanasov dokončil návrh svojho počítača. Teraz potreboval človeka so správnymi znalosťami na jeho stavbu. Našiel ho v osobe absolventa inžinierskeho oddelenia Iowa State University menom Clifford Berry. Na konci roka Atanasov a Berry postavili malý prototyp. V nasledujúcom roku dokončili plnú verziu počítača s tridsiatimi koeficientmi. V 60. rokoch autor, ktorý odkryl ich príbeh, nazval tento počítač Atanasov-Berry Computer (ABC) a meno sa ujalo. Avšak všetky nedostatky sa eliminovať nepodarilo. Konkrétne, ABC robil chybu približne v jednej binárnej číslici na 10 000, čo by pre akékoľvek veľké výpočty bolo fatálne.
Clifford Berry a ABC v 1942
Napriek tomu možno v Atanasovovi a jeho ABC nájsť korene a zdroj všetkých moderných počítačov. Nevyrobil prvý binárny elektronický digitálny počítač (s pomocou Berryho)? Nie sú to základné charakteristiky miliárd zariadení, ktoré formujú a riadia ekonomiku, spoločnosť a kultúru po celom svete?
Ale vráťme sa späť. Prídavné mená digitálny a binárny nie sú výsadou ABC. Napríklad počítač komplexných čísel Bell (Bell Complex Number Computer, CNC), ktorý bol vyvinutý približne v tom istom čase, bol digitálnym, binárnym, elektromechanickým počítačom, schopným vykonávať výpočty na komplexnej rovine. Rovnako ako ABC, aj CNC riešil problémy v obmedzených oblastiach a na rozdiel od moderných počítačov nemohol prijímať ľubovoľnú sekvenciu inštrukcií.
Zostáva „elektronický“. Ale hoci matematické vnútornosti ABC boli elektronické, fungoval na elektromechanických rýchlostiach. Pretože Atanasov a Berry z finančných dôvodov nemohli použiť elektrónky na ukladanie tisíc binárnych číslic, použili na to elektromechanické komponenty. Niekoľko stoviek triód, ktoré vykonávali základné matematické výpočty, bolo obklopených otáčajúcimi sa bubnami a bzučiacimi perforovacími strojmi, kde boli uložené medzihodnoty všetkých výpočtových krokov.
Atanasov a Berry vykonali hrdinskú prácu pri čítaní a zapisovaní údajov na dierne karty mimoriadne rýchlo, prepálením ich elektrinou namiesto mechanického vykonávania otvorov. To však viedlo k svojim problémom: práve zariadenie na prepálenie malo na svedomí jednu chybu na 10 000 čísel. Navyše, aj pri maximálnych snahách stroja nedokázali „prepichnúť“ rýchlejšie ako jednu líniu za sekundu, takže ABC mohol vykonávať len jedno výpočtové operácie za sekundu každým z tridsiatich aritmetických zariadení. Zvyšok času elektronické lampy len nečinne sedeli a „ťukali prstami po stole“, zatiaľ čo všetka táto mechanika bolestne pomaly rotovala okolo nich. Atanasov a Berry priviazali kvalitného koňa k vozu so senom. (Vedúci projektu na obnovenie ABC v 90-tych rokoch odhadoval maximálnu rýchlosť stroja, vrátane všetkého času stráveného, vrátane práce operátora so zadaním úlohy, na päť sčítaní alebo odčítaní za sekundu. To je určite rýchlejšie ako človek-vypočítavač, ale nie tá rýchlosť, ktorú spájame s elektronickými počítačmi.)
Schéma ABC. Bubny uchovávali dočasný vstup a výstup na kondenzátoroch. Tyristorová schéma prepichovania kariet a čítačka kariet zaznamenávali a čítali výsledky celého kroku algoritmu (odstraňujúc premennú zo systému rovníc).
Práca na ABC sa zastavila v polovici roku 1942, keď sa Atanasov a Berry prihlásili do rýchlo rastúcej vojenskej mašiny USA, kde boli potrebné nielen telá, ale aj mozgy. Atanasov bol povolaný do Námořnej artilérie laboratória vo Washingtone, aby viedol tím vyvíjajúci akustické míny. Berry sa oženil so sekretárkou Atanasova a našiel si prácu v spoločnosti, ktorá pracovala na vojenských kontraktoch v Kalifornii, aby ho nezapojili do vojny. Atanasov sa nejaký čas pokúšal patentovať svoje dielo v štáte Iowa, no bezúspešne. Po vojne sa venoval iným veciam a už sa seriózne nezapájal do počítačov. Samotný počítač bol poslaný na skládku v roku 1948, aby sa uvoľnilo miesto v kancelárii pre nového absolventa inštitútu.
Možno Atanasov jednoducho začal pracovať príliš skoro. Spoliehal sa na skromné univerzitné granty a mohol minúť len niekoľko tisíc dolárov na vytvorenie ABC, takže hospodárnosť prekryla všetky ostatné problémy jeho projektu. Keby počkal do začiatku 40. rokov, mohol by získať vládny grant na plnohodnotné elektronické zariadenie. A v takom stave — s obmedzeným využitím, zložitým ovládaním, nespolehlivé, nie príliš rýchle — sa ABC nestalo veľkým sľubom v oblasti užitočnosti elektronických výpočtov. Americká vojenská mašina, napriek celému počítačovému hladu, nechala ABC hrdzavieť v meste Ames v štáte Iowa.
Vojnové počítačové stroje
Prvá svetová vojna vytvorila a spustila systém masívneho pumpovania investícií do vedy a technológie a pripravila ho na Druhú svetovú vojnu. Len za niekoľko rokov prešla prax vedenia vojny na zemi a mori na používanie jedovatých plynov, magnetických mín, leteckého prieskumu a bombardovania a pod. Žiadny politický a vojenský líder nemohol ignorovať také rýchle transformácie. Boli tak rýchle, že skôr začatý výskum mohol nakloniť misku váh na tú alebo onú stranu.
V USA bolo dostatok materiálov a myslí (mnohé z nich ušli z hitlerovského Nemecka), a nachádzali sa mimo bezprostredných bojov za prežitie a dominanciu, ktorých sa iné krajiny dotýkali. To umožnilo krajine naučiť sa tento poučenie obzvlášť jasne. Prejavilo sa to v tom, že rozsiahle priemyselné a intelektuálne zdroje boli nasadené na vytvorenie prvého atómového zbroja. Menej známa, ale nie menej dôležitá alebo menšia investícia spočívala v investícii do vývoja radarovej technológie, ktorého centrum sa nachádzalo v MIT v Rad Lab.
Tak a začínajúca oblasť automatických výpočtov dostala svoj podiel vojenského financovania, aj keď v oveľa menších rozsahoch. Už sme spomenuli rozmanitosť elektromechanických výpočtových projektov, ktoré vznikli vojnou. Potenciál reléových počítačov bol, relatívne povedané, známy, pretože telefónne stanice s tisíckami relé už v tom čase fungovali mnoho rokov. Elektronické komponenty ešte nepreukázali svoju funkčnosť v takýchto rozmeroch. Väčšina odborníkov sa domnievala, že elektronický počítač nevyhnutne bude nespolehlivý (ABC bol príkladom), alebo jeho výstavba zaberie príliš veľa času. Napriek náhlemu prítoku štátnych peňazí, vojenských projektov na elektronické výpočty bolo málo, a boli vzácne. Spustilo sa iba tri, a z nich iba dva viedli k vzniku funkčných strojov.
V Nemecku inžinier telekomunikácií Helmut Schreyer dokázal svojmu priateľovi Konradovi Zuse hodnotu elektronického stroja pred elektromechanickým „V3“, ktorý Zuse staval pre letecký priemysel (neskôr sa stal známym ako Z3). Zuse nakoniec súhlasil s prácou na druhom projekte spolu so Schreyerom, a Výskumný ústav letectva navrhol financovať prototyp na 100 lampách koncom roka 1941. Ale obaja muži sa najprv venovali prioritnej vojenskej práci, a potom ich práca bola silne spomalená poškodením spôsobeným bombardovaním, v dôsledku čoho sa im tak nikdy nepodarilo prinútiť svoj stroj spoľahlivo fungovať.
Zuse (vpravo) a Schreyer (vľavo) pracujú na elektromechanickom počítači v berlínskej byte Zuseových rodičov
Prvý elektronický počítač, ktorý vykonával užitočnú prácu, bol vytvorený v tajnej laboratórii v Británii, kde inžinier telekomunikácií navrhol nový radikálny prístup k kryptológii založený na ventiloch. Túto históriu odhalíme nabudúce.
Čo ďalšie čítať:
• Alice R. Burks a Arthur W. Burks, Prvý elektronický počítač: Príbeh Atansoffa (1988)
• David Ritchie, Počiatky počítačov (1986)
• Jane Smiley, Muž, ktorý vymyslel počítač (2010)
Zdroj: habr.com
