V našom opísal vzostup automatických telefónnych spínačov, ktoré boli ovládané pomocou reléových obvodov. Tentoraz chceme hovoriť o tom, ako vedci a inžinieri vyvinuli reléové obvody v prvej – dnes už zabudnutej – generácii digitálnych počítačov.
Štafeta za zenitom
Ak si pamätáte, činnosť relé je založená na jednoduchom princípe: elektromagnet ovláda kovový spínač. Myšlienka relé bola nezávisle navrhnutá niekoľkými prírodovedcami a podnikateľmi v telegrafnom obchode v 1830. rokoch XNUMX. storočia. Potom, v polovici XNUMX. storočia, vynálezcovia a mechanici premenili relé na spoľahlivú a nenahraditeľnú súčasť telegrafných sietí. Práve v tejto oblasti dosiahla životnosť relé svoj zenit: bola miniaturizovaná a generácie inžinierov vytvorili nespočetné množstvo návrhov, pričom formálne trénovali matematiku a fyziku.
Začiatkom 1870. storočia obsahovali niektoré typy relé nielen automatické spínacie systémy, ale aj takmer všetky zariadenia telefónnej siete. Jedno z prvých použití v telefónnej komunikácii sa datuje do XNUMX. rokov XNUMX. storočia v manuálnych ústredniach. Keď účastník otočil rukoväťou telefónu (rukoväť magneto), do telefónnej ústredne bol odoslaný signál, ktorý zapol mixér. Záslepka je relé, ktoré po spustení spôsobí, že kovová klapka spadne na spínací pult telefónneho operátora, čo signalizuje prichádzajúci hovor. Potom slečna operátorka zasunula zástrčku do konektora, relé sa resetovalo, po čom bolo možné opäť zdvihnúť klapku, ktorú v tejto polohe držal elektromagnet.
Do roku 1924, napísali dvaja inžinieri Bell, typická manuálna telefónna ústredňa obsluhovala asi 10 40 účastníkov. Jej vybavenie obsahovalo 65-10 tisíc relé, ktorých celková magnetická sila bola „dostatočná na zdvihnutie XNUMX ton“. Vo veľkých telefónnych ústredniach so strojovými prepínačmi sa tieto charakteristiky násobili dvomi. V telefónnom systéme USA sa používalo mnoho miliónov relé a ich počet sa neustále zvyšoval, pretože telefónne ústredne boli automatizované. Jedno telefónne spojenie môže obsluhovať niekoľko až niekoľko stoviek relé, v závislosti od počtu a vybavenia príslušných telefónnych ústrední.
Továrne Western Electric, výrobnej dcérskej spoločnosti Bell Corporation, vyrábali obrovské množstvo relé. Inžinieri vytvorili toľko úprav, že by túto odrodu závideli aj tí najvychýrenejší chovatelia psov či holubári. Prevádzková rýchlosť a citlivosť relé boli optimalizované a rozmery boli zmenšené. V roku 1921 vyrobila spoločnosť Western Electric takmer 5 miliónov relé sto základných typov. Najpopulárnejšie bolo univerzálne relé typu E, ploché, takmer obdĺžnikové zariadenie, ktoré vážilo niekoľko desiatok gramov. Z veľkej časti bol vyrobený z lisovaných kovových dielov, teda bol technologicky vyspelý vo výrobe. Kryt chránil kontakty pred prachom a indukovanými prúdmi zo susedných zariadení: zvyčajne boli relé namontované blízko seba, v stojanoch so stovkami a tisíckami relé. Celkovo bolo vyvinutých 3 XNUMX variantov typu E, z ktorých každý má inú konfiguráciu vinutia a kontaktov.
Čoskoro sa tieto relé začali používať v najzložitejších spínačoch.
Súradnicový komutátor
V roku 1910 dostal Gotthilf Betulander, inžinier v Royal Telegrafverket, štátnej korporácii, ktorá kontrolovala väčšinu švédskeho trhu s telefónmi (po celé desaťročia, takmer celý), nápad. Veril, že by mohol výrazne zlepšiť efektivitu prevádzky Telegrafverket vybudovaním automatických spínacích systémov úplne založených na relé. Presnejšie, na reléových matriciach: mriežkach oceľových tyčí pripojených k telefónnym linkám, s relé na priesečníkoch tyčí. Takýto spínač by mal byť rýchlejší, spoľahlivejší a jednoduchší na údržbu ako systémy založené na posuvných alebo otočných kontaktoch.
Betulander navyše prišiel s myšlienkou, že je možné rozdeliť výberové a spojovacie časti systému do nezávislých reléových obvodov. A zvyšok systému by sa mal použiť iba na vytvorenie hlasového kanála a potom by sa mal uvoľniť na spracovanie ďalšieho hovoru. To znamená, že Betulander prišiel s nápadom, ktorý sa neskôr nazýval „spoločná kontrola“.
Okruh, v ktorom je uložené číslo prichádzajúcich hovorov, nazval „rekordér“ (ďalší pojem je register). A obvod, ktorý nájde a „označí“ dostupné spojenie v sieti, sa nazýva „značka“. Autor si svoj systém patentoval. Niekoľko takýchto staníc sa objavilo v Štokholme a Londýne. A v roku 1918 sa Betulander dozvedel o americkej inovácii: súradnicovom prepínači, ktorý pred piatimi rokmi vytvoril inžinier Bell John Reynolds. Tento spínač bol veľmi podobný dizajnu Betulandera, ale používal sa n+m servisné relé n+m maticové uzly, čo bolo oveľa pohodlnejšie pre ďalšie rozširovanie telefónnych ústrední. Pri vytváraní spojenia pridržiavacia lišta zovrela „prsty“ struny klavíra a výberová lišta sa pohybovala po matrici, aby sa pripojila k inému hovoru. Nasledujúci rok Betulander začlenil túto myšlienku do svojho dizajnu spínača.
Väčšina inžinierov však považovala Betulanderov výtvor za zvláštny a zbytočne zložitý. Keď prišiel čas na výber prepínacieho systému na automatizáciu sietí najväčších švédskych miest, Telegrafverket si vybral dizajn vyvinutý spoločnosťou Ericsson. Prepínače Betulander sa používali iba v malých telefónnych ústredniach vo vidieckych oblastiach: relé boli spoľahlivejšie ako motorizovaná automatizácia prepínačov Ericsson a nevyžadovali si údržbu technikov pri každej ústredni.
Americkí telefónni inžinieri však mali na túto vec iný názor. V roku 1930 prišli špecialisti Bell Labs do Švédska a boli „veľmi ohromení parametrami modulu súradnicového spínača“. Keď sa Američania vrátili, okamžite začali pracovať na tom, čo sa stalo známym ako súradnicový systém č. 1, ktorý nahradil panelové spínače vo veľkých mestách. Do roku 1938 boli v New Yorku nainštalované dva takéto systémy. Čoskoro sa stali štandardnou výbavou mestských telefónnych ústrední, až ich o viac ako 30 rokov neskôr nahradili elektronické spínače.
Najzaujímavejším komponentom X-Switch č. 1 bol nový, komplexnejší marker vyvinutý v Bell. Jeho zámerom bolo vyhľadať voľnú cestu od volajúceho k volanému cez niekoľko navzájom prepojených súradnicových modulov, čím sa vytvorilo telefónne spojenie. Značka tiež musela otestovať každé pripojenie na stav voľno/zaneprázdnenie. To si vyžadovalo použitie podmienenej logiky. Ako napísal historik Robert Chapuis:
Voľba je podmienená tým, že voľné pripojenie je držané iba vtedy, ak poskytuje prístup k sieti, ktorá má ako výstup voľné pripojenie k ďalšej úrovni. Ak niekoľko sád spojení spĺňa požadované podmienky, potom „preferenčná logika“ vyberie jedno z najmenej spojení...
Prepínač súradníc je skvelým príkladom vzájomného obohacovania technologických nápadov. Betulander vytvoril svoj celoreléový prepínač, potom ho vylepšil spínacou maticou Reynolds a preukázal výkonnosť výsledného dizajnu. Inžinieri AT&T neskôr prepracovali tento hybridný prepínač, vylepšili ho a vytvorili súradnicový systém č. 1. Tento systém sa potom stal súčasťou dvoch prvých počítačov, z ktorých jeden je dnes známy ako míľnik v histórii výpočtovej techniky.
Matematická práca
Aby sme pochopili, ako a prečo relé a ich elektronickí príbuzní pomohli revolúcii vo výpočtovej technike, potrebujeme krátky vpád do sveta kalkulu. Po nej sa ukáže, prečo bola skrytá požiadavka na optimalizáciu výpočtových procesov.
Začiatkom XNUMX. storočia bol celý systém modernej vedy a techniky založený na práci tisícov ľudí vykonávajúcich matematické výpočty. Boli povolaní počítačov (počítače) [Aby sa predišlo nejasnostiam, tento výraz sa bude používať v celom texte kalkulačky. - Poznámka. pruh]. V 1820. rokoch XNUMX. storočia vytvoril Charles Babbage (hoci jeho aparát mal ideových predchodcov). Jeho hlavnou úlohou bolo automatizovať konštrukciu matematických tabuliek, napríklad pre navigáciu (výpočet goniometrických funkcií polynomickými aproximáciami pri 0 stupňoch, 0,01 stupňoch, 0,02 stupňoch atď.). Veľký dopyt po matematických výpočtoch bol aj v astronómii: bolo potrebné spracovať surové výsledky teleskopických pozorovaní v pevných oblastiach nebeskej sféry (v závislosti od času a dátumu pozorovaní) alebo určiť dráhy nových objektov (napr. Halleyova kométa).
Od čias Babbage sa potreba výpočtových strojov mnohonásobne zvýšila. Elektrárenské spoločnosti potrebovali pochopiť správanie chrbticových prenosových sústav s mimoriadne zložitými dynamickými vlastnosťami. Oceľové delá Bessemer, schopné vrhať náboje cez horizont (a teda vďaka priamemu pozorovaniu cieľa už nemierili), vyžadovali čoraz presnejšie balistické tabuľky. Nové štatistické nástroje, ktoré zahŕňali veľké množstvo matematických výpočtov (napríklad metóda najmenších štvorcov), sa čoraz viac používali vo vede aj v rastúcom vládnom aparáte. Výpočtové oddelenia sa objavili na univerzitách, vo vládnych agentúrach a priemyselných korporáciách, ktoré zvyčajne prijímali ženy.
Mechanické kalkulačky len uľahčili problém výpočtov, ale nevyriešili ho. Kalkulačky zrýchlili aritmetické operácie, ale akýkoľvek zložitý vedecký alebo inžiniersky problém si vyžadoval stovky alebo tisíce operácií, pričom každú z nich musela (ľudská) kalkulačka vykonať manuálne, pričom všetky medzivýsledky starostlivo zaznamenávala.
K vzniku nových prístupov k problému matematických výpočtov prispelo viacero faktorov. Mladí vedci a inžinieri, ktorí v noci bolestne počítali svoje úlohy, chceli dopriať oddych svojim rukám a očiam. Projektoví manažéri boli najmä po prvej svetovej vojne nútení vyhadzovať čoraz viac peňazí na platy mnohých počítačov. Napokon, mnohé pokročilé vedecké a inžinierske problémy bolo ťažké vypočítať ručne. Všetky tieto faktory viedli k vytvoreniu série počítačov, na ktorých sa pracovalo pod vedením Vannevara Busha, elektrotechnika na Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Diferenciálny analyzátor
Dovtedy bola história často neosobná, ale teraz začneme hovoriť viac o konkrétnych ľuďoch. Sláva prešla cez tvorcov panelového spínača, relé typu E a základného značkovacieho obvodu. Nezachovali sa o nich ani životopisné anekdoty. Jediným verejne dostupným dôkazom o ich živote sú fosílne pozostatky strojov, ktoré vytvorili.
Teraz môžeme hlbšie pochopiť ľudí a ich minulosť. Ale už nestretneme tých, ktorí tvrdo pracovali na povalách a v dielňach doma – Morse a Vail, Bell a Watson. Na konci prvej svetovej vojny sa éra hrdinských vynálezcov takmer skončila. Thomas Edison môže byť považovaný za prechodnú postavu: na začiatku svojej kariéry bol najatým vynálezcom a na konci sa stal majiteľom „továrne na vynálezy“. Dovtedy sa vývoj najvýznamnejších nových technológií stal doménou organizácií – univerzít, firemných výskumných oddelení, vládnych laboratórií. Ľudia, o ktorých budeme hovoriť v tejto časti, patrili k takýmto organizáciám.
Napríklad Vannevar Bush. Na MIT prišiel v roku 1919, keď mal 29 rokov. O niečo viac ako 20 rokov bol jedným z ľudí, ktorí ovplyvnili účasť Spojených štátov v druhej svetovej vojne a pomohli zvýšiť vládne financovanie, čo navždy zmenilo vzťah medzi vládou, akademickou sférou a rozvojom vedy a techniky. Ale pre účely tohto článku nás zaujíma séria strojov, ktoré boli vyvinuté v Bushovom laboratóriu od polovice 1920. rokov XNUMX. storočia a boli určené na riešenie problému matematických výpočtov.
MIT, ktorá sa nedávno presťahovala z centra Bostonu na nábrežie Charles River v Cambridge, bola úzko spätá s potrebami priemyslu. Sám Bush mal okrem profesúry aj finančné záujmy v niekoľkých podnikoch v oblasti elektroniky. Preto by nemalo byť prekvapením, že problém, ktorý viedol Buscha a jeho študentov k práci na novom výpočtovom zariadení, má pôvod v energetickom priemysle: simulácia správania prenosových vedení v podmienkach špičkového zaťaženia. Je zrejmé, že to bola len jedna z mnohých možných aplikácií počítačov: všade sa vykonávali únavné matematické výpočty.
Busch a jeho kolegovia najprv postavili dva stroje nazývané produktové integrátory. Ale najslávnejší a najúspešnejší stroj MIT bol iný - diferenciálny analyzátor, dokončená v roku 1931. Riešil problémy s prenosom elektriny, vypočítal dráhy elektrónov, trajektórie kozmického žiarenia v magnetickom poli Zeme a mnohé ďalšie. Výskumníci z celého sveta, ktorí potrebovali výpočtový výkon, vytvorili v tridsiatych rokoch desiatky kópií a variácií diferenciálneho analyzátora. Niektoré sú dokonca z Meccana (anglickej obdoby amerických detských stavebníc značky ).
Diferenciálny analyzátor je analógový počítač. Matematické funkcie boli vypočítané pomocou rotujúcich kovových tyčí, pričom rýchlosť rotácie každej z nich odrážala určitú kvantitatívnu hodnotu. Motor poháňal nezávislú tyč - premennú (zvyčajne predstavoval čas), ktorá zase otáčala inými tyčami (rôzne diferenciálne premenné) prostredníctvom mechanických spojení a na základe vstupnej rýchlosti otáčania bola vypočítaná funkcia. Výsledky výpočtov boli nakreslené na papier vo forme kriviek. Najdôležitejšími komponentmi boli integrátory – kolesá, ktoré sa otáčali ako disky. Integrátory mohli vypočítať integrál krivky bez zdĺhavých manuálnych výpočtov.
Diferenciálny analyzátor. Integrálny modul - so zdvihnutým vekom, na strane okna sú tabuľky s výsledkami výpočtov a v strede - sada výpočtových tyčí
Žiadny z komponentov analyzátora neobsahoval diskrétne spínacie relé ani žiadne digitálne spínače. Prečo teda hovoríme o tomto zariadení? Odpoveď je štvrtý rodinné auto.
Začiatkom tridsiatych rokov začal Bush dvoriť Rockefellerovej nadácii, aby získal financie na ďalší vývoj analyzátora. Warren Weaver, vedúci prírodných vied nadácie, spočiatku nebol presvedčený. Inžinierstvo nebolo oblasťou jeho odbornosti. Ale Busch propagoval neobmedzený potenciál svojho nového stroja pre vedecké aplikácie - najmä v matematickej biológii, Weaverovom domácom projekte. Bush tiež prisľúbil početné vylepšenia analyzátora, vrátane "možnosti rýchlo prepínať analyzátor z jedného problému na druhý, ako je telefónna ústredňa." V roku 1930 bolo jeho úsilie odmenené grantom 1936 85 dolárov na vytvorenie nového zariadenia, ktoré sa neskôr nazývalo Rockefellerov diferenciálny analyzátor.
Ako praktický počítač nebol tento analyzátor veľkým prielomom. Bush, ktorý sa stal viceprezidentom MIT a dekanom inžinierstva, nemohol venovať veľa času riadeniu vývoja. V skutočnosti sa čoskoro stiahol a nastúpil do funkcie predsedu Carnegie Institution vo Washingtone. Bush cítil, že sa blíži vojna, a mal niekoľko vedeckých a priemyselných nápadov, ktoré by mohli slúžiť potrebám armády. To znamená, že chcel byť bližšie k centru moci, kde by mohol efektívnejšie ovplyvňovať riešenie niektorých otázok.
V tom istom čase vyriešili technické problémy, ktoré diktoval nový dizajn, pracovníci laboratória a čoskoro ich začali odkláňať k práci na vojenských problémoch. Rockefellerov stroj bol dokončený až v roku 1942. Armáda to považovala za užitočné pre in-line výrobu balistických stolov pre delostrelectvo. Čoskoro však bolo toto zariadenie úplne zatienené digitálny počítače – reprezentujúce čísla nie ako fyzikálne veličiny, ale abstraktne, pomocou pozícií prepínačov. Náhodou sa stalo, že samotný Rockefellerov analyzátor používal pomerne veľa podobných spínačov, ktoré pozostávali z reléových obvodov.
Shannon
V roku 1936 mal Claude Shannon len 20 rokov, no na Michiganskej univerzite už absolvoval bakalársky titul z elektrotechniky a matematiky. Na MIT ho priviedol leták pripnutý na nástenke. Vannevar Bush hľadal nového asistenta pre prácu na diferenciálnom analyzátore. Shannon predložil svoju žiadosť bez váhania a čoskoro pracoval na nových problémoch, kým sa nové zariadenie začalo formovať.
Shannon nebol nič ako Bush. Nebol ani obchodníkom, ani akademickým budovateľom impéria, ani správcom. Celý život miloval hry, hádanky a zábavu: šach, žonglovanie, bludisko, kryptogramy. Ako mnohí muži jeho éry, aj Shannon sa počas vojny venoval serióznemu biznisu: zastával funkciu v Bellových laboratóriách na základe vládnej zmluvy, ktorá chránila jeho chatrné telo pred vojenským odvodom. Jeho výskum v oblasti riadenia paľby a kryptografie počas tohto obdobia viedol k zásadnej práci v teórii informácie (ktorej sa nebudeme dotýkať). V 1950. rokoch minulého storočia, keď vojna a jej následky utíchli, sa Shannon vrátil k vyučovaniu na MIT a svoj voľný čas trávil rozptýlením: kalkulačkou, ktorá pracovala výlučne s rímskymi číslicami; stroj, po zapnutí sa z neho objavilo mechanické rameno a vyplo stroj.
Štruktúra Rockefellerovho stroja, s ktorým sa Shannon stretol, bola logicky rovnaká ako štruktúra analyzátora z roku 1931, ale bola postavená z úplne iných fyzických komponentov. Busch si uvedomil, že tyče a mechanické prevody v starších strojoch znižujú efektivitu ich použitia: na vykonanie výpočtov bolo potrebné stroj nastaviť, čo si vyžadovalo veľa človekohodín práce skúsených mechanikov.
Nový analyzátor stratil túto nevýhodu. Jeho dizajn nevychádzal zo stola s tyčami, ale z krížového kotúčového komutátora, prebytočného prototypu darovaného Bell Labs. Namiesto prenosu energie z centrálneho hriadeľa bol každý integrovaný modul nezávisle poháňaný elektromotorom. Na konfiguráciu stroja na vyriešenie nového problému stačilo jednoducho nakonfigurovať relé v súradnicovej matici na pripojenie integrátorov v požadovanom poradí. Čítačka diernej pásky (vypožičaná z iného telekomunikačného zariadenia, rolového teletypu) čítala konfiguráciu stroja a reléový obvod premieňal signál z pásky na riadiace signály pre matricu – bolo to ako nastavovanie série telefónnych hovorov medzi integrátormi.
Nový stroj bol nielen oveľa rýchlejší a jednoduchší na nastavenie, ale bol aj rýchlejší a presnejší ako jeho predchodca. Dokázala riešiť zložitejšie problémy. Dnes by sa tento počítač mohol považovať za primitívny, dokonca extravagantný, ale v tom čase sa zdal pozorovateľom ako nejaká veľká – alebo možno strašná – inteligencia pri práci:
V podstate je to matematická robota. Elektricky poháňaný automat určený nielen na to, aby oslobodil ľudský mozog od bremena ťažkých výpočtov a analýz, ale aby útočil a riešil matematické problémy, ktoré myseľ nedokáže vyriešiť.
Shannon sa sústredil na prevod údajov z papierovej pásky na inštrukcie pre „mozog“ a za túto operáciu bol zodpovedný reléový obvod. Všimol si súlad medzi štruktúrou obvodu a matematickými štruktúrami Booleovej algebry, ktorú študoval na postgraduálnej škole v Michigane. Toto je algebra, ktorej operandy boli PRAVDA a NEPRAVDAa operátormi - A, ALEBO, NIE atď. Algebra zodpovedajúca logickým výrokom.
Po tom, čo Shannon strávil leto 1937 prácou v Bell Labs na Manhattane (ideálne miesto na premýšľanie o reléových obvodoch), napísal svoju diplomovú prácu s názvom „Symbolická analýza reléových a spínacích obvodov“. Spolu s prácou Alana Turinga v predchádzajúcom roku vytvorila Shannonova práca základ počítačovej vedy.
V 1940. a 1950. rokoch XNUMX. storočia Shannon zostrojil niekoľko výpočtových/logických strojov: rímsku kalkulačku THROBAC, šachový automat a Theseus, labyrint, cez ktorý sa pohybovala elektromechanická myš (na obrázku)
Shannon objavil, že systém výrokových logických rovníc možno priamo mechanicky previesť na fyzický obvod reléových spínačov. Na záver dodal: „Prakticky každá operácia, ktorú možno opísať v konečnom počte krokov pomocou slov AK, A, ALEBO atď., možno vykonať automaticky pomocou relé.“ Napríklad dve riadené spínacie relé zapojené do série tvoria logiku И: Prúd potečie cez hlavný vodič iba vtedy, keď sú aktivované oba elektromagnety, aby sa spínače uzavreli. Súčasne sú paralelne zapojené dve relé OR: Prúd preteká hlavným obvodom, aktivovaný jedným z elektromagnetov. Výstup takéhoto logického obvodu môže zase ovládať elektromagnety iných relé, aby sa produkovali zložitejšie logické operácie ako (A И B) alebo (C И G).
Shannon zakončil svoju dizertačnú prácu prílohou obsahujúcou niekoľko príkladov obvodov vytvorených jeho metódou. Keďže operácie Booleovej algebry sú veľmi podobné aritmetickým operáciám v binárnom systéme (t. j. pomocou binárnych čísel), ukázal, ako možno relé zostaviť do „elektrickej sčítačky v binárnom systéme“ – nazývame to binárna sčítačka. O niekoľko mesiacov neskôr si jeden z vedcov z Bell Labs postavil takúto sčítačku na svoj kuchynský stôl.
Stibitz
George Stibitz, výskumník na matematickom oddelení v sídle Bell Labs na Manhattane, priniesol domov podivnú súpravu vybavenia jedného tmavého novembrového večera v roku 1937. Suché články batérie, dve malé svetielka pre hardvérové panely a pár plochých relé typu U nájdených v odpadkovom koši. Pridaním niekoľkých drôtov a nejakého odpadu zostavil zariadenie, ktoré dokázalo pridať dve jednociferné binárne čísla (reprezentované prítomnosťou alebo neprítomnosťou vstupného napätia) a pomocou žiaroviek vydať dvojciferné číslo: jedno pre zapnuté, nula na vypnutie.
Binárna Stiebitzova sčítačka
Stiebitz, vyštudovaný fyzik, bol požiadaný, aby zhodnotil fyzikálne vlastnosti reléových magnetov. Nemal žiadne predchádzajúce skúsenosti s relé, a tak začal štúdiom ich použitia v Bellových telefónnych obvodoch. George si čoskoro všimol podobnosti medzi niektorými obvodmi a binárnymi aritmetickými operáciami. Zaujatý zostavil svoj bočný projekt na kuchynský stôl.
Stiebitzovo hranie s relé spočiatku vzbudilo medzi vedením Bell Labs malý záujem. Ale v roku 1938 sa vedúci výskumnej skupiny spýtal Georgea, či by sa jeho kalkulačky dali použiť na aritmetické operácie s komplexnými číslami (napr. a+biKde i je druhá odmocnina záporného čísla). Ukázalo sa, že niekoľko výpočtových oddelení v Bell Labs už stonalo, pretože takéto čísla museli neustále násobiť a deliť. Vynásobenie jedného komplexného čísla si vyžadovalo štyri aritmetické operácie na stolnej kalkulačke, delenie si vyžadovalo 16 operácií. Stibitz povedal, že dokáže problém vyriešiť a navrhol obvod stroja na takéto výpočty.
Konečný dizajn, ktorý telefónny inžinier Samuel Williams stelesnil do kovu, sa nazýval Complex Number Computer - alebo skrátene Complex Computer - a bol uvedený na trh v roku 1940. Na výpočty bolo použitých 450 relé, medzivýsledky boli uložené v desiatich súradnicových prepínačoch. Údaje sa zadávali a prijímali pomocou rolovacieho teletypu. Oddelenia Bell Labs nainštalovali tri takéto teletypy, čo naznačuje veľkú potrebu výpočtového výkonu. Relé, matice, teletypy - vo všetkých smeroch to bol produkt systému Bell.
Najlepšia hodina Complex Computer odbila 11. septembra 1940. Stiebitz prezentoval správu o počítači na stretnutí Americkej matematickej spoločnosti na Dartmouth College. Súhlasil, že tam bude inštalovaný ďalekopis s telegrafným spojením s Complex Computer na 400 kilometrov vzdialenom Manhattane. Záujemcovia mohli prejsť na ďalekopis, zadať na klávesnici podmienky problému a vidieť, ako za necelú minútu ďalekopis magicky vytlačí výsledok. Medzi tými, ktorí testovali nový produkt, boli John Mauchly a John von Neumann, z ktorých každý zohral dôležitú úlohu v pokračovaní nášho príbehu.
Účastníci stretnutia videli krátky pohľad do budúceho sveta. Neskôr sa počítače stali tak drahé, že správcovia si už nemohli dovoliť nechať ich nečinne sedieť, kým sa používateľ škrabal na brade pred riadiacou konzolou a premýšľal, čo napíše ďalej. V priebehu nasledujúcich 20 rokov budú vedci premýšľať o tom, ako postaviť univerzálne počítače, ktoré budú vždy čakať, kým do nich vložíte dáta, aj keď budete pracovať na niečom inom. A potom prejde ďalších 20 rokov, kým sa tento interaktívny spôsob výpočtovej techniky stane na dennom poriadku.
Stiebitz za interaktívnym terminálom Dartmouth v 1960. rokoch. Dartmouth College bola priekopníkom v oblasti interaktívnej výpočtovej techniky. Stiebitz sa stal vysokoškolským profesorom v roku 1964
Je prekvapujúce, že napriek problémom, ktoré rieši, Complex Computer podľa moderných štandardov vôbec nie je počítačom. Mohol by vykonávať aritmetické operácie s komplexnými číslami a pravdepodobne vyriešiť ďalšie podobné problémy, ale nie všeobecné problémy. Nebolo to programovateľné. Nemohol vykonávať operácie v náhodnom poradí alebo opakovane. Bola to kalkulačka schopná robiť určité výpočty oveľa lepšie ako jej predchodcovia.
Po vypuknutí druhej svetovej vojny vytvoril Bell pod vedením Stiebitza sériu počítačov s názvom Model II, Model III a Model IV (komplexný počítač bol podľa toho pomenovaný Model I). Väčšina z nich bola postavená na žiadosť Národného výboru pre výskum obrany a na jeho čele nebol nikto iný ako Vannevar Bush. Stibitz vylepšil dizajn strojov z hľadiska väčšej všestrannosti funkcií a programovateľnosti.
Pre potreby protilietadlových systémov riadenia paľby bol vyvinutý napríklad Ballistic Calculator (neskôr Model III). Do prevádzky bol uvedený v roku 1944 vo Fort Bliss v Texase. Zariadenie obsahovalo 1400 25 relé a mohlo vykonávať program matematických operácií určených sekvenciou inštrukcií na papierovej páske. Samostatne bola dodaná páska so vstupnými údajmi a zvlášť tabuľkové údaje. To umožnilo rýchlo nájsť hodnoty napríklad goniometrických funkcií bez skutočných výpočtov. Inžinieri spoločnosti Bell vyvinuli špeciálne vyhľadávacie obvody (hunting circuits), ktoré skenovali pásku dopredu/dozadu a hľadali adresu požadovanej hodnoty tabuľky bez ohľadu na výpočty. Stibitz zistil, že jeho počítač Model III, ktorý vo dne v noci cvakal relé, nahradil 40-XNUMX počítačov.
Reléové stojany Bell Model III
Auto Model V už nestihlo vidieť vojenskú službu. Stala sa ešte všestrannejšou a výkonnejšou. Ak zhodnotíme počet počítačov, ktoré vymenil, tak bol približne desaťkrát väčší ako Model III. Niekoľko výpočtových modulov s 9 tisíc relé mohlo prijímať vstupné dáta z viacerých staníc, kde užívatelia zadávali podmienky rôznych úloh. Každá takáto stanica mala jednu čítačku pások na zadávanie údajov a päť na inštrukcie. To umožnilo volať rôzne podprogramy z hlavnej pásky pri výpočte úlohy. Hlavný riadiaci modul (v podstate analóg operačného systému) distribuoval inštrukcie medzi výpočtovými modulmi v závislosti od ich dostupnosti a programy mohli vykonávať podmienené vetvenia. Už to nebola len kalkulačka.
Rok zázrakov: 1937
Rok 1937 možno považovať za prelomový v dejinách výpočtovej techniky. V tom roku si Shannon a Stibitz všimli podobnosti medzi reléovými obvodmi a matematickými funkciami. Tieto zistenia viedli Bell Labs k vytvoreniu série dôležitých digitálnych strojov. Bolo to akosi - alebo dokonca substitúcia - keď sa skromné telefónne relé bez zmeny svojej fyzickej podoby stalo stelesnením abstraktnej matematiky a logiky.
V tom istom roku v januárovom čísle publikácie Proceedings of the London Mathematical Society publikoval článok britského matematika Alana Turinga „O vypočítateľných číslach vo vzťahu k "(O vyčísliteľných číslach, s aplikáciou na problém Entscheidungs). Opisoval univerzálny výpočtový stroj: autor tvrdil, že dokáže vykonávať činnosti, ktoré sú logicky ekvivalentné činnostiam ľudských počítačov. Turinga, ktorý minulý rok nastúpil na postgraduálnu školu na Princetonskej univerzite, zaujali aj štafetové obvody. A podobne ako Bush je znepokojený rastúcou hrozbou vojny s Nemeckom. A tak sa chopil vedľajšieho kryptografického projektu – binárneho multiplikátora, ktorý by sa dal použiť na šifrovanie vojenskej komunikácie. Turing ho postavil z relé zostavených v univerzitnej strojárni.
Aj v roku 1937 Howard Aiken premýšľal o navrhovanom automatickom výpočtovom stroji. Aiken, postgraduálny študent elektrotechniky na Harvarde, robil svoj spravodlivý podiel na výpočtoch iba pomocou mechanickej kalkulačky a tlačených kníh s matematickými tabuľkami. Navrhol dizajn, ktorý by túto rutinu odstránil. Na rozdiel od existujúcich výpočtových zariadení mal spracovávať procesy automaticky a cyklicky a využívať výsledky predchádzajúcich výpočtov ako vstup do ďalšieho.
Medzitým v spoločnosti Nippon Electric Company telekomunikačný inžinier Akira Nakashima od roku 1935 skúmal prepojenia medzi reléovými obvodmi a matematikou. Nakoniec v roku 1938 nezávisle dokázal ekvivalenciu reléových obvodov s Booleovou algebrou, ktorú Shannon objavil o rok skôr.
V Berlíne hľadal Konrad Zuse, bývalý letecký inžinier unavený nekonečnými výpočtami potrebnými v práci, financie na stavbu druhého počítača. Nedokázal zabezpečiť, aby jeho prvé mechanické zariadenie, V1, fungovalo spoľahlivo, a tak chcel vyrobiť reléový počítač, ktorý vyvinul spolu so svojím priateľom, telekomunikačným inžinierom Helmutom Schreyerom.
Všestrannosť telefónnych relé, závery o matematickej logike, túžba bystrých myslí zbaviť sa práce, ktorá otupuje myseľ - to všetko sa prepojilo a viedlo k vzniku myšlienky nového typu logického stroja.
Zabudnutá generácia
Plody objavov a vývoja z roku 1937 museli dozrievať niekoľko rokov. Vojna sa ukázala ako najsilnejšie hnojivo a s jej príchodom sa začali objavovať reléové počítače všade tam, kde existovali potrebné technické znalosti. Matematická logika sa stala mriežkou pre vinič elektrotechniky. Objavili sa nové formy programovateľných výpočtových strojov — prvý náčrt moderných počítačov.
Okrem Stiebitzových strojov sa v roku 1944 mohli USA pochváliť Harvard Mark I/IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), výsledkom Aikenovho návrhu. Dvojité meno vzniklo kvôli zhoršeniu vzťahov medzi akademickou obcou a priemyslom: všetci si nárokovali práva na zariadenie. Mark I/ASCC používal reléové riadiace obvody, ale hlavná aritmetická jednotka bola založená na architektúre mechanických kalkulačiek IBM. Vozidlo bolo vytvorené pre potreby US Bureau of Shipbuilding. Jeho nástupca, Mark II, začal fungovať v roku 1948 na testovacom mieste námorníctva a všetky jeho operácie boli založené výlučne na relé – 13 XNUMX relé.
Počas vojny Zuse postavil niekoľko reléových počítačov, ktoré boli čoraz zložitejšie. Vrcholom bol V4, ktorý podobne ako Bell Model V obsahoval nastavenia pre volanie podprogramov a vykonával podmienené vetvy. Kvôli nedostatku materiálu v Japonsku nebol žiadny z návrhov Nakashimu a jeho krajanov realizovaný v kove, kým sa krajina nezotavila z vojny. Novovzniknuté ministerstvo zahraničného obchodu a priemyslu v 1950. rokoch financovalo vytvorenie dvoch reléových strojov, z ktorých druhý bol monštrum s 20 tisíc relé. Spoločnosť Fujitsu, ktorá sa podieľala na tvorbe, vyvinula vlastné komerčné produkty.
Dnes sú tieto stroje takmer úplne zabudnuté. V pamäti zostalo len jedno meno - ENIAC. Dôvod zabudnutia nesúvisí s ich zložitosťou, schopnosťami alebo rýchlosťou. Výpočtové a logické vlastnosti relé, ktoré objavili vedci a výskumníci, sa vzťahujú na akýkoľvek druh zariadenia, ktoré môže fungovať ako spínač. A tak sa stalo, že bolo k dispozícii ďalšie podobné zariadenie - elektronický spínač, ktorý by mohol fungovať stokrát rýchlejšie ako relé.
Dôležitosť druhej svetovej vojny v histórii výpočtovej techniky by už mala byť zrejmá. Najstrašnejšia vojna sa stala impulzom pre vývoj elektronických strojov. Jeho spustenie uvoľnilo zdroje potrebné na prekonanie zjavných nedostatkov elektronických spínačov. Vláda elektromechanických počítačov mala krátke trvanie. Rovnako ako Titani, aj oni boli zvrhnutí svojimi deťmi. Podobne ako relé, aj elektronické spínanie vzniklo z potrieb telekomunikačného priemyslu. A aby sme zistili, odkiaľ pochádza, musíme previnúť našu históriu na moment na úsvite rozhlasovej éry.
Zdroj: hab.com