Ďalšie články zo série:
- História relé
- História elektronických počítačov
- História tranzistora
- História internetu
Ako sme videli v , rádioví a telefónni inžinieri pri hľadaní výkonnejších zosilňovačov objavili novú technologickú oblasť, ktorá bola rýchlo nazvaná elektronika. Elektronický zosilňovač sa dal ľahko premeniť na digitálny spínač, ktorý pracuje pri oveľa vyšších rýchlostiach ako jeho elektromechanický príbuzný, telefónne relé. Pretože neexistovali žiadne mechanické časti, vákuovú trubicu bolo možné zapnúť a vypnúť za mikrosekundu alebo menej, než za desať milisekúnd alebo viac, ktoré vyžaduje relé.
Od roku 1939 do roku 1945 boli s použitím týchto nových elektronických komponentov vytvorené tri počítače. Nie náhodou sa dátumy ich výstavby zhodujú s obdobím druhej svetovej vojny. Tento konflikt – v dejinách nemá obdobu v spôsobe, akým pripútal ľudí na vojnový voz – navždy zmenil vzťah medzi štátmi a medzi vedou a technikou a priniesol svetu aj veľké množstvo nových zariadení.
Príbehy troch prvých elektronických počítačov sú prepletené vojnou. Prvá sa venovala dešifrovaniu nemeckých správ a pod rúškom tajomstva zostala až do 1970. rokov XNUMX. storočia, keď ju už nezaujímal iný ako historický záujem. Druhá, o ktorej mala väčšina čitateľov počuť, bola ENIAC, vojenská kalkulačka, ktorá bola dokončená príliš neskoro na to, aby pomohla vo vojne. Ale tu sa pozrieme na najskorší z týchto troch strojov, ktorých je duchovným dieťaťom .
Atanasov
V roku 1930 Atanasov, americký syn emigranta z , konečne si splnil svoj mladícky sen a stal sa teoretickým fyzikom. Ale ako pri väčšine takýchto túžob, realita nebola taká, ako očakával. Najmä, ako väčšina študentov inžinierskych a fyzikálnych vied v prvej polovici XNUMX. storočia, aj Atanasov musel znášať bolestivé bremená neustálych výpočtov. Jeho dizertačná práca na Wisconsinskej univerzite o polarizácii hélia si vyžadovala osem týždňov únavných výpočtov pomocou mechanickej stolovej kalkulačky.
John Atanasov v mladosti
V roku 1935, keď už prijal miesto profesora na univerzite v Iowe, sa Atanasov rozhodol s týmto bremenom niečo urobiť. Začal uvažovať o možných spôsoboch, ako postaviť nový, výkonnejší počítač. Po odmietnutí analógových metód (ako je diferenciálny analyzátor MIT) z dôvodov obmedzení a nepresnosti sa rozhodol postaviť digitálny stroj, ktorý sa zaoberal číslami ako diskrétnymi hodnotami, a nie ako kontinuálne merania. Od mladosti poznal systém binárnych čísel a pochopil, že oveľa lepšie zapadá do štruktúry zapnutia/vypnutia digitálneho spínača ako bežné desatinné čísla. Preto sa rozhodol vyrobiť binárny stroj. A nakoniec sa rozhodol, že aby bol najrýchlejší a najflexibilnejší, mal by byť elektronický a na výpočty používať vákuové trubice.
Atanasov tiež potreboval rozhodnúť o problémovom priestore - na aké výpočty by mal byť jeho počítač vhodný? V dôsledku toho sa rozhodol, že sa bude zaoberať riešením systémov lineárnych rovníc a ich redukciou na jednu premennú (pomocou ) — tie isté výpočty, ktoré dominovali v jeho dizertačnej práci. Bude podporovať až tridsať rovníc, každá s až tridsiatimi premennými. Takýto počítač by mohol vyriešiť problémy, ktoré sú dôležité pre vedcov a inžinierov, a zároveň by sa nezdal byť neuveriteľne zložitý.
Kus umenia
Do polovice tridsiatych rokov minulého storočia sa elektronická technológia stala extrémne diverzifikovanou od svojich počiatkov pred 1930 rokmi. Pre Atanasovov projekt boli obzvlášť vhodné dva vývojové riešenia: spúšťacie relé a elektronický merač.
Už od 1918. storočia mali telegrafní a telefónni inžinieri k dispozícii šikovný prístroj zvaný prepínač. Spínač je bistabilné relé, ktoré používa permanentné magnety na jeho držanie v stave, v ktorom ste ho nechali – otvorený alebo zatvorený – kým nedostane elektrický signál na prepnutie stavov. Ale vákuové trubice toho neboli schopné. Nemali žiadnu mechanickú súčasť a mohli byť „otvorené“ alebo „zatvorené“, kým elektrina prúdila alebo nepretekala obvodom. V roku 1 dvaja britskí fyzici, William Eccles a Frank Jordan, prepojili dve lampy pomocou drôtov, aby vytvorili „spúšťacie relé“ – elektronické relé, ktoré zostáva neustále zapnuté po zapnutí počiatočným impulzom. Eccles a Jordan vytvorili svoj systém na telekomunikačné účely pre britskú admiralitu na konci prvej svetovej vojny. Ale okruh Eccles-Jordan, ktorý sa neskôr stal známym ako spúšťač [angl. flip-flop] možno považovať aj za zariadenie na ukladanie binárnej číslice - 0, ak sa signál prenáša, a XNUMX v opačnom prípade. Týmto spôsobom bolo možné prostredníctvom n klopných obvodov reprezentovať binárny počet n bitov.
Asi desať rokov po spúšti nastal druhý veľký prelom v elektronike, ktorý sa zrazil so svetom výpočtovej techniky: elektronické merače. Opäť, ako sa často stávalo v ranej histórii výpočtovej techniky, nuda sa stala matkou vynálezu. Fyzici, ktorí študujú emisiu subatomárnych častíc, museli buď počúvať kliknutia, alebo stráviť hodiny štúdiom fotografických záznamov, počítajúc počet detekcií, aby zmerali rýchlosť emisie častíc z rôznych látok. Mechanické alebo elektromechanické merače boli lákavou možnosťou na uľahčenie týchto akcií, ale pohybovali sa príliš pomaly: nedokázali zaregistrovať množstvo udalostí, ktoré sa vyskytli v priebehu milisekúnd.
Kľúčovou postavou pri riešení tohto problému bol , ktorý pracoval pod vedením Ernesta Rutherforda v Cavendish Laboratory v Cambridge. Wynne-Williams mal talent na elektroniku a už použil elektrónky (alebo ventily, ako sa im hovorilo v Británii) na vytvorenie zosilňovačov, ktoré umožnili počuť, čo sa deje s časticami. Začiatkom tridsiatych rokov minulého storočia si uvedomil, že ventily možno použiť na vytvorenie počítadla, ktoré nazval „počítadlo binárnej stupnice“ – teda binárne počítadlo. V podstate išlo o súpravu klopných obvodov, ktoré mohli prenášať prepínače po reťazci (v praxi sa používal , typy lámp, ktoré neobsahujú vákuum, ale plyn, ktorý by po úplnej ionizácii plynu mohol zostať v zapnutej polohe).
Wynne-Williamsov počítač sa rýchlo stal jedným z nevyhnutných laboratórnych zariadení pre každého, kto sa zaoberá časticovou fyzikou. Fyzici postavili veľmi malé počítadlá, ktoré často obsahovali tri číslice (to znamená, že boli schopné napočítať až sedem). pre pomalý mechanický merač a pre zaznamenávanie udalostí vyskytujúcich sa rýchlejšie, než by mohol merač s pomaly sa pohybujúcimi mechanickými časťami zaznamenať.
Ale teoreticky by sa takéto počítadlá mohli rozšíriť na čísla ľubovoľnej veľkosti alebo presnosti. Boli to, prísne vzaté, prvé digitálne elektronické počítacie stroje.
Počítač Atanasov-Berry
Atanasov tento príbeh poznal, čo ho presvedčilo o možnosti zostrojiť elektronický počítač. Ale priamo nepoužíval binárne počítadlá ani klopné obvody. Najprv sa pre základ počítacieho systému pokúsil použiť mierne upravené počítadlá – veď čo je sčítanie, ak nie opakované počítanie? Ale z nejakého dôvodu nemohol urobiť počítacie obvody dostatočne spoľahlivé a musel vyvinúť vlastné sčítacie a násobiace obvody. Na dočasné ukladanie binárnych čísel nemohol použiť klopné obvody, pretože mal obmedzený rozpočet a ambiciózny cieľ uložiť naraz tridsať koeficientov. Ako čoskoro uvidíme, táto situácia mala vážne následky.
V roku 1939 Atanasov dokončil návrh svojho počítača. Teraz potreboval niekoho so správnymi znalosťami, aby to postavil. Takúto osobu našiel v absolventovi inžinierskeho inštitútu štátu Iowa menom Clifford Berry. Do konca roka Atanasov a Berry postavili malý prototyp. Nasledujúci rok dokončili plnú verziu počítača s tridsiatimi koeficientmi. V 1960. rokoch 10000. storočia ho spisovateľ, ktorý vykopal ich históriu, nazval Atanasoff-Berry Computer (ABC) a tento názov sa uchytil. Všetky nedostatky sa však nepodarilo odstrániť. Najmä ABC mala chybu približne jednej binárnej číslice z XNUMX XNUMX, čo by bolo fatálne pre akýkoľvek veľký výpočet.
Clifford Berry a ABC v roku 1942
V Atanasovovi a jeho ABC však možno nájsť korene a zdroj všetkých moderných počítačov. Nevytvoril (s schopnou pomocou Berryho) prvý binárny elektronický digitálny počítač? Nie sú toto základné charakteristiky miliárd zariadení, ktoré formujú a poháňajú ekonomiky, spoločnosti a kultúry na celom svete?
Ale poďme späť. Prídavné mená digitálny a binárny nie sú doménou ABC. Napríklad Bell Complex Number Computer (CNC), vyvinutý približne v rovnakom čase, bol digitálny, binárny, elektromechanický počítač schopný počítať v komplexnej rovine. ABC a CNC boli podobné aj v tom, že riešili problémy v obmedzenej oblasti a nemohli, na rozdiel od moderných počítačov, prijať ľubovoľnú postupnosť pokynov.
Čo zostáva, je „elektronické“. Ale hoci matematické vnútornosti ABC boli elektronické, fungovali pri elektromechanických rýchlostiach. Keďže Atanasov a Berry neboli finančne schopní použiť elektrónky na uloženie tisícok binárnych číslic, použili na to elektromechanické súčiastky. Niekoľko stoviek triód, vykonávajúcich základné matematické výpočty, bolo obklopených rotujúcimi bubnami a búrlivými dierovacími strojmi, kde boli uložené medzihodnoty všetkých výpočtových krokov.
Atanasoff a Berry odviedli hrdinskú prácu pri čítaní a zapisovaní údajov na dierne štítky obrovskou rýchlosťou tým, že ich spálili elektrinou namiesto mechanického dierovania. To však viedlo k vlastným problémom: bol to spaľovací prístroj, ktorý bol zodpovedný za 1 chybu na 10000 1990 čísel. Navyše, ani v najlepšom prípade, stroj nemohol „preraziť“ rýchlejšie ako jeden riadok za sekundu, takže ABC mohol vykonať iba jeden výpočet za sekundu s každou zo svojich tridsiatich aritmetických jednotiek. Po zvyšok času vákuové trubice nečinne ležali a netrpezlivo „búchali prstami o stôl“, zatiaľ čo sa všetka táto mašinéria okolo nich bolestivo pomaly točila. Atanasov a Berry zapriahli plnokrvného koňa do vozíka na seno. (Vedúci projektu obnovy ABC v XNUMX. rokoch odhadol maximálnu rýchlosť stroja, berúc do úvahy všetok čas strávený, vrátane práce operátora na špecifikácii úlohy, na päť pridávaní alebo odčítaní za sekundu. To, samozrejme, je rýchlejší ako ľudský počítač, ale nie je rovnaký ako rýchlosť, ktorú spájame s elektronickými počítačmi.)
ABC diagram. Bubny ukladali dočasný vstup a výstup na kondenzátory. Obvod na dierovanie tyratrónových kariet a čítačka kariet zaznamenávali a čítali výsledky celého kroku algoritmu (vylúčenie jednej z premenných zo systému rovníc).
Práca na ABC sa zastavila v polovici roku 1942, keď sa Atanasoff a Berry prihlásili do rýchlo rastúcej americkej vojnovej mašinérie, ktorá si vyžadovala mozgy aj telá. Atanasov bol povolaný do námorného laboratória vo Washingtone, aby viedol tím vyvíjajúci akustické míny. Berry sa vydala za Atanasovovu sekretárku a našla si prácu vo vojenskej zmluvnej spoločnosti v Kalifornii, aby sa vyhla povolaniu do vojny. Atanasov sa nejaký čas pokúšal patentovať svoj výtvor v štáte Iowa, no neúspešne. Po vojne presedlal na iné veci a počítačom sa už vážnejšie nezaoberal. Samotný počítač bol v roku 1948 poslaný na skládku, aby uvoľnil miesto v kancelárii pre nového absolventa ústavu.
Možno Atanasov jednoducho začal pracovať príliš skoro. Spoliehal sa na skromné univerzitné granty a mohol minúť len niekoľko tisíc dolárov na vytvorenie ABC, takže ekonomika nahradila všetky ostatné obavy v jeho projekte. Ak by počkal do začiatku 1940. rokov, možno by dostal vládny grant na plnohodnotné elektronické zariadenie. A v tomto stave – obmedzený na používanie, ťažko ovládateľný, nespoľahlivý, málo rýchly – nebolo ABC sľubnou reklamou na výhody elektronických výpočtov. Americká vojnová mašinéria, napriek všetkému svojmu počítačovému hladu, nechala ABC zhrdzavieť v meste Ames v štáte Iowa.
Vojnové počítacie stroje
Prvá svetová vojna vytvorila a spustila systém masívnych investícií do vedy a techniky a pripravila ju na druhú svetovú vojnu. Len za pár rokov sa prax vedenia vojny na zemi a na mori zmenila na používanie jedovatých plynov, magnetických mín, leteckého prieskumu a bombardovania atď. Žiadny politický ani vojenský vodca si nemohol nevšimnúť také rýchle zmeny. Boli také rýchle, že výskum, ktorý sa začal dostatočne skoro, mohol nakloniť misku váh jedným alebo druhým smerom.
Spojené štáty mali dostatok materiálov a mozgov (mnohí z nich utiekli z Hitlerovho Nemecka) a boli ďaleko od bezprostredných bojov o prežitie a nadvládu, ktoré postihli iné krajiny. To krajine umožnilo naučiť sa túto lekciu obzvlášť jasne. To sa prejavilo v tom, že na vytvorenie prvej atómovej zbrane boli venované obrovské priemyselné a intelektuálne zdroje. Menej známou, no rovnako dôležitou či menšou investíciou bola investícia do radarovej technológie v centre Rad Lab MIT.
A tak rodiaca sa oblasť automatických počítačov dostala svoj podiel na vojenskom financovaní, aj keď v oveľa menšom rozsahu. Už sme si všimli množstvo projektov elektromechanických výpočtov, ktoré vytvorila vojna. Potenciál reléových počítačov bol, relatívne povedané, známy, keďže v tom čase už dlhé roky fungovali telefónne ústredne s tisíckami relé. Elektronické súčiastky zatiaľ nepreukázali svoj výkon v takom rozsahu. Väčšina odborníkov verila, že elektronický počítač bude nevyhnutne nespoľahlivý (príkladom bola ABC) alebo jeho zostavenie bude trvať príliš dlho. Napriek náhlemu prílevu vládnych peňazí bolo vojenských elektronických výpočtových projektov veľmi málo. Boli spustené len tri a iba dva z nich vyústili do prevádzkyschopných strojov.
V Nemecku telekomunikačný inžinier Helmut Schreyer dokázal svojmu priateľovi Konradovi Zuseovi hodnotu elektronického stroja oproti elektromechanickému „V3“, ktorý Zuse staval pre letecký priemysel (neskôr známy ako Z3). Zuse nakoniec súhlasil s prácou na druhom projekte so Schreyerom a Letecký výskumný ústav koncom roku 100 ponúkol financovanie prototypu so 1941 rúrkami. Títo dvaja muži sa však najprv ujali vojnovej práce s vyššou prioritou a potom ich prácu vážne spomalili škody spôsobené bombardovaním, vďaka čomu neboli schopní spoľahlivo uviesť svoj stroj do prevádzky.
Zuse (vpravo) a Schreyer (vľavo) pracujú na elektromechanickom počítači v berlínskom byte Zuseových rodičov
A prvý elektronický počítač, ktorý vykonal užitočnú prácu, bol vytvorený v tajnom laboratóriu v Británii, kde telekomunikačný inžinier navrhol radikálne nový prístup ku kryptoanalýze založenej na ventiloch. Tento príbeh prezradíme nabudúce.
Čo ešte čítať:
• Alice R. Burks a Arthur W. Burks, Prvý elektronický počítač: Príbeh Atansoffa (1988)
• David Ritchie, The Computer Pioneers (1986)
• Jane Smiley, Muž, ktorý vynašiel počítač (2010)
Zdroj: hab.com