V našem je opisal porast avtomatskih telefonskih stikal, ki so bila krmiljena z uporabo relejnih vezij. Tokrat želimo spregovoriti o tem, kako so znanstveniki in inženirji razvili relejna vezja v prvi, danes pozabljeni, generaciji digitalnih računalnikov.
Štafeta v zenitu
Če se spomnite, delovanje releja temelji na preprostem principu: elektromagnet upravlja kovinsko stikalo. Zamisel o releju je neodvisno predlagalo več naravoslovcev in podjetnikov v telegrafskem poslu v 1830-ih. Nato pa so sredi XNUMX. stoletja izumitelji in mehaniki releje spremenili v zanesljiv in nepogrešljiv sestavni del telegrafskih omrežij. Na tem področju je življenje releja doseglo svoj zenit: bil je miniaturiziran in generacije inženirjev so ustvarile nešteto modelov, medtem ko so se formalno usposabljali v matematiki in fiziki.
Na začetku 1870. stoletja so ne le avtomatski preklopni sistemi, ampak tudi skoraj vsa oprema telefonskega omrežja vsebovala neko vrsto releja. Ena najzgodnejših uporab v telefonskih komunikacijah sega v sedemdeseta leta XNUMX. stoletja v ročne centrale. Ko je naročnik obrnil telefonsko ročico (magnetno ročico), je bil v telefonsko centralo poslan signal, ki je vklopil mešalnik. Blaner je rele, ki ob sprožitvi povzroči, da kovinska loputa pade na stikalno mizo telefonskega operaterja, kar nakazuje dohodni klic. Nato je mlada dama operaterka vtaknila vtič v konektor, rele se je ponastavil, nakar je bilo mogoče ponovno dvigniti loputo, ki jo je v tem položaju držal elektromagnet.
Do leta 1924 sta dva Bellova inženirja zapisala, da je tipična ročna telefonska centrala služila približno 10 naročnikom. Njena oprema je vsebovala 40-65 tisoč relejev, katerih skupna magnetna sila je bila "zadostna za dvig 10 ton". V velikih telefonskih centralah s strojnimi stikali so bile te lastnosti pomnožene z dva. V celotnem telefonskem sistemu ZDA je bilo uporabljenih več milijonov relejev, število pa se je z avtomatizacijo telefonskih central nenehno povečevalo. Eno telefonsko zvezo lahko oskrbuje od nekaj do nekaj sto relejev, odvisno od števila in opreme vključenih telefonskih central.
Tovarne družbe Western Electric, proizvodne hčerinske družbe Bell Corporation, so proizvedle ogromno relejev. Inženirji so ustvarili toliko modifikacij, da bi jim to raznolikost zavidali tudi najbolj izpopolnjeni rejci psov ali golobnjaki. Optimizirana je bila hitrost delovanja in občutljivost releja ter zmanjšane dimenzije. Leta 1921 je Western Electric proizvedel skoraj 5 milijonov relejev stotih osnovnih tipov. Najbolj priljubljen je bil univerzalni rele tipa E, ploščata, skoraj pravokotna naprava, ki je tehtala nekaj deset gramov. Večinoma je bila izdelana iz pretisnjenih kovinskih delov, torej je bila tehnološko dovršena izdelava. Ohišje je ščitilo kontakte pred prahom in induciranimi tokovi iz sosednjih naprav: običajno so bili releji nameščeni blizu drug drugega, v stojalih s stotinami in tisoči relejev. Skupno je bilo razvitih 3 različic tipa E, vsaka z različnimi konfiguracijami navitij in kontaktov.
Kmalu so se ti releji začeli uporabljati v najbolj zapletenih stikalih.
Koordinatni komutator
Leta 1910 je Gotthilf Betulander, inženir pri Royal Telegrafverket, državni korporaciji, ki je obvladovala večino švedskega telefonskega trga (desetletja, skoraj ves), dobil idejo. Verjel je, da bi lahko močno izboljšal učinkovitost delovanja Telegrafverketa z izgradnjo avtomatskih preklopnih sistemov, ki bi v celoti temeljili na relejih. Natančneje na relejnih matricah: mrežah jeklenih palic, povezanih s telefonskimi linijami, z releji na presečiščih palic. Takšno stikalo naj bi bilo hitrejše, zanesljivejše in lažje za vzdrževanje od sistemov, ki temeljijo na drsnih ali vrtljivih kontaktih.
Poleg tega je Betulander prišel na idejo, da je možno ločiti izbirne in povezovalne dele sistema v neodvisna relejna vezja. Preostali del sistema pa je treba uporabiti samo za vzpostavitev glasovnega kanala, nato pa ga sprostiti za obravnavo drugega klica. To pomeni, da je Betulander prišel na idejo, ki so jo kasneje poimenovali "skupni nadzor".
Vezje, ki shrani številko dohodnega klica, je poimenoval "snemalnik" (drug izraz je register). In vezje, ki najde in "označi" razpoložljivo povezavo v omrežju, se imenuje "marker". Avtor je svoj sistem patentiral. Več takih postaj se je pojavilo v Stockholmu in Londonu. In leta 1918 je Betulander izvedel za ameriško inovacijo: koordinatno stikalo, ki ga je ustvaril Bellov inženir John Reynolds pet let prej. To stikalo je bilo zelo podobno Betulanderjevi zasnovi, vendar je uporabljalo n+m servisni rele n+m matričnih vozlišč, kar je bilo veliko bolj priročno za nadaljnjo širitev telefonskih central. Pri vzpostavljanju povezave je držalna vrstica stisnila "prste" klavirske strune in izbirna vrstica se je premaknila vzdolž matrice, da se poveže z drugim klicem. Naslednje leto je Betulander to idejo vključil v svoj dizajn stikala.
Toda večina inženirjev je Betulanderjevo stvaritev menila za čudno in nepotrebno zapleteno. Ko je prišel čas za izbiro preklopnega sistema za avtomatizacijo omrežij največjih švedskih mest, je Telegrafverket izbral zasnovo, ki jo je razvil Ericsson. Stikala Betulander so uporabljali le v majhnih telefonskih centralah na podeželju: releji so bili zanesljivejši od motorizirane avtomatizacije stikal Ericsson in niso zahtevali vzdrževalnih tehnikov na vsaki centrali.
Toda ameriški telefonski inženirji so imeli o tem drugačno mnenje. Leta 1930 so strokovnjaki Bell Labs prišli na Švedsko in bili "zelo navdušeni nad parametri modula koordinatnega stikala." Ko so se Američani vrnili, so nemudoma začeli delati na tem, kar je postalo znano kot koordinatni sistem št. 1, ki je nadomestil stikala na panelih v velikih mestih. Do leta 1938 so v New Yorku namestili dva taka sistema. Kmalu so postale standardna oprema mestnih telefonskih central, dokler jih več kot 30 let kasneje niso nadomestila elektronska stikala.
Najbolj zanimiva komponenta X-Switch št. 1 je bil nov, bolj zapleten marker, ki so ga razvili pri Bellu. Namenjen je bil iskanju proste poti od kličočega do klicanega prek več med seboj povezanih koordinatnih modulov in s tem vzpostavljene telefonske povezave. Označevalnik je moral tudi preizkusiti vsako povezavo za stanje proste/zasedene. To je zahtevalo uporabo pogojne logike. Kot je zapisal zgodovinar Robert Chapuis:
Izbira je pogojna, ker je brezplačna povezava zadržana le, če omogoča dostop do omrežja, ki ima kot izhod prosto povezavo z naslednjo stopnjo. Če več nizov povezav izpolnjuje želene pogoje, potem "preferencialna logika" izbere eno od najmanjših povezav ...
Koordinatno stikalo je odličen primer navzkrižnega oploditve tehnoloških idej. Betulander je ustvaril svoje stikalo z vsemi releji, ga nato izboljšal z Reynoldsovo preklopno matriko in dokazal učinkovitost dobljene zasnove. Inženirji AT&T so pozneje preoblikovali to hibridno stikalo, ga izboljšali in ustvarili koordinatni sistem št. 1. Ta sistem je nato postal sestavni del dveh zgodnjih računalnikov, od katerih je eden zdaj znan kot mejnik v zgodovini računalništva.
Matematično delo
Da bi razumeli, kako in zakaj so releji in njihovi elektronski bratranci pomagali revolucionirati računalništvo, potrebujemo kratek pohod v svet računanja. Po njem bo postalo jasno, zakaj je obstajala skrita zahteva po optimizaciji računalniških procesov.
Do začetka XNUMX. stoletja je celoten sistem sodobne znanosti in tehnike temeljil na delu tisočev ljudi, ki so izvajali matematične izračune. Bili so poklicani računalniki (računalniki) [Da bi se izognili zmedi, bo izraz uporabljen v celotnem besedilu kalkulatorji. - Opomba. vozni pas]. Leta 1820 je Charles Babbage ustvarjal (čeprav je imel njegov aparat ideološke predhodnike). Njegova glavna naloga je bila avtomatizacija izdelave matematičnih tabel, na primer za navigacijo (izračun trigonometričnih funkcij s polinomskimi približki pri 0 stopinjah, 0,01 stopinjah, 0,02 stopinjah itd.). Veliko povpraševanje po matematičnih izračunih je bilo tudi v astronomiji: treba je bilo obdelati neobdelane rezultate teleskopskih opazovanj na fiksnih območjih nebesne sfere (odvisno od časa in datuma opazovanj) ali določiti orbite novih objektov (npr. Halleyev komet).
Od časa Babbagea se je potreba po računalniških strojih večkrat povečala. Elektroenergetska podjetja so morala razumeti obnašanje hrbteničnih sistemov za prenos električne energije z izjemno kompleksnimi dinamičnimi lastnostmi. Bessemerjeve jeklene puške, ki so lahko metale granate čez obzorje (in zato zaradi neposrednega opazovanja tarče niso bile več namerjene), so zahtevale čedalje natančnejše balistične tabele. Nova statistična orodja, ki so vključevala velike količine matematičnih izračunov (kot je metoda najmanjših kvadratov), so se vedno bolj uporabljala tako v znanosti kot v rastočem vladnem aparatu. Računalniški oddelki so se pojavili na univerzah, vladnih agencijah in industrijskih korporacijah, ki so običajno zaposlovale ženske.
Mehanski kalkulatorji so samo olajšali računski problem, ne pa ga rešili. Kalkulatorji so pospešili aritmetične operacije, vendar je vsak zapleten znanstveni ali inženirski problem zahteval na stotine ali tisoče operacij, od katerih je moral (človeški) kalkulator vsako izvesti ročno in skrbno beležiti vse vmesne rezultate.
K nastanku novih pristopov k problemu matematičnih izračunov je prispevalo več dejavnikov. Mladi znanstveniki in inženirji, ki so ponoči mučno preračunavali svoje naloge, so si želeli dati rokam in očem počitek. Vodje projektov so bili zlasti po prvi svetovni vojni prisiljeni odšteti vedno več denarja za plače številnih računalnikov. Nazadnje je bilo veliko naprednih znanstvenih in inženirskih problemov težko izračunati ročno. Vsi ti dejavniki so privedli do nastanka serije računalnikov, delo na katerih je potekalo pod vodstvom Vannevarja Busha, elektroinženirja na Tehnološkem inštitutu Massachusetts (MIT).
Diferencialni analizator
Do te točke je bila zgodovina pogosto neosebna, zdaj pa bomo začeli govoriti bolj o konkretnih ljudeh. Slava je minila mimo ustvarjalcev stikala na plošči, releja tipa E in fiducialnega označevalnega vezja. O njih se niso ohranile niti biografske anekdote. Edini javno dostopen dokaz o njihovem življenju so fosilni ostanki strojev, ki so jih ustvarili.
Zdaj lahko pridobimo globlje razumevanje ljudi in njihove preteklosti. Toda ne bomo več srečali tistih, ki so trdo delali na podstrešjih in doma v delavnicah - Morse in Vail, Bell in Watson. Ob koncu prve svetovne vojne se je doba junaških izumiteljev skoraj končala. Thomasa Edisona lahko štejemo za prehodno figuro: na začetku kariere je bil najeti izumitelj, ob koncu pa je postal lastnik »tovarne izumov«. Do takrat je razvoj najpomembnejših novih tehnologij postal domena organizacij – univerz, korporativnih raziskovalnih oddelkov, vladnih laboratorijev. Ljudje, o katerih bomo govorili v tem delu, so pripadali takšnim organizacijam.
Na primer, Vannevar Bush. Na MIT je prišel leta 1919, ko je bil star 29 let. Nekaj več kot 20 let kasneje je bil eden od ljudi, ki so vplivali na sodelovanje ZDA v drugi svetovni vojni in pomagali povečati vladno financiranje, kar je za vedno spremenilo razmerje med vlado, akademskim svetom ter razvojem znanosti in tehnologije. Toda za namene tega članka nas zanima vrsta strojev, ki so bili razviti v Bushevem laboratoriju od sredine dvajsetih let prejšnjega stoletja in so bili namenjeni reševanju problema matematičnih izračunov.
MIT, ki se je nedavno preselil iz osrednjega Bostona na obalo reke Charles v Cambridgeu, je bil tesno usklajen s potrebami industrije. Sam Bush je imel poleg profesure finančne interese v več podjetjih na področju elektronike. Zato ne bi smelo biti presenečenje, da je problem, zaradi katerega so Busch in njegovi študenti delali na novi računalniški napravi, izviral iz energetske industrije: simulacija obnašanja prenosnih vodov v pogojih največje obremenitve. Očitno je bila to le ena od mnogih možnih aplikacij računalnikov: povsod so se izvajali dolgočasni matematični izračuni.
Busch in njegovi kolegi so najprej zgradili dva stroja, imenovana product integraphs. Toda najbolj znan in uspešen stroj MIT je bil drug - diferencialni analizator, dokončana leta 1931. Reševal je probleme s prenosom električne energije, izračunal tirnice elektronov, trajektorije kozmičnega sevanja v zemeljskem magnetnem polju in še marsikaj. Raziskovalci po vsem svetu, ki so potrebovali računalniško moč, so v tridesetih letih prejšnjega stoletja ustvarili na desetine kopij in različic diferencialnega analizatorja. Nekateri so celo iz Meccana (angleški analog ameriških otroških gradbenih kompletov blagovne znamke ).
Diferencialni analizator je analogni računalnik. Matematične funkcije so bile izračunane z uporabo vrtljivih kovinskih palic, od katerih je hitrost vrtenja vsake odražala neko kvantitativno vrednost. Motor je poganjal samostojno palico - spremenljivko (običajno je predstavljala čas), ta pa je preko mehanskih povezav vrtela druge palice (različne diferencialne spremenljivke) in na podlagi vhodne hitrosti vrtenja se je izračunala funkcija. Rezultate izračunov smo narisali na papir v obliki krivulj. Najpomembnejši sestavni deli so bili integratorji - kolesa, ki so se vrtela kot diski. Integratorji bi lahko izračunali integral krivulje brez dolgočasnih ročnih izračunov.
Diferencialni analizator. Integralni modul - z dvignjenim pokrovom, na strani okna so tabele z rezultati izračunov, na sredini pa niz računalniških palic.
Nobena od komponent analizatorja ni vsebovala diskretnih preklopnih relejev ali kakršnih koli digitalnih stikal. Zakaj torej govorimo o tej napravi? Odgovor je četrti družinski avto.
V zgodnjih tridesetih letih 1930. stoletja je Bush začel snubiti fundacijo Rockefeller, da bi pridobil sredstva za nadaljnji razvoj analizatorja. Warren Weaver, vodja oddelka za naravoslovje fundacije, sprva ni bil prepričan. Inženirstvo ni bilo njegovo strokovno področje. Toda Busch je hvalil neomejen potencial svojega novega stroja za znanstveno uporabo – zlasti v matematični biologiji, Weaverjevem hišnem projektu. Bush je obljubil tudi številne izboljšave analizatorja, vključno z "zmožnostjo hitrega preklopa analizatorja z ene težave na drugo, kot je telefonska centrala." Leta 1936 je bil njegov trud nagrajen s štipendijo v višini 85 dolarjev za ustvarjanje nove naprave, ki so jo pozneje poimenovali Rockefellerjev diferencialni analizator.
Kot praktičen računalnik ta analizator ni bil velik preboj. Bush, ki je postal podpredsednik MIT in dekan inženiringa, usmerjanju razvoja ni mogel posvetiti veliko časa. Pravzaprav se je kmalu umaknil in prevzel dolžnosti predsednika Inštituta Carnegie v Washingtonu. Bush je čutil, da se bliža vojna, in imel je več znanstvenih in industrijskih zamisli, ki bi lahko služile potrebam vojske. Se pravi, želel je biti bližje centru moči, kjer bi lahko učinkoviteje vplival na reševanje določenih vprašanj.
Obenem je laboratorijsko osebje reševalo tehnične probleme, ki jih je narekovala nova zasnova, in jih kmalu začelo preusmerjati v delo na vojaških problemih. Rockefellerjev stroj je bil dokončan šele leta 1942. Vojska je ugotovila, da je uporaben za linijsko proizvodnjo balističnih miz za topništvo. Toda kmalu je bila ta naprava popolnoma zasenčena digitalni računalniki – predstavljajo številke ne kot fizične količine, ampak abstraktno, z uporabo položajev stikala. Tako se je zgodilo, da je sam analizator Rockefeller uporabil precej podobnih stikal, sestavljenih iz relejnih vezij.
Shannon
Leta 1936 je bil Claude Shannon star komaj 20 let, a je že diplomiral na Univerzi v Michiganu z diplomo iz elektrotehnike in matematike. Na MIT ga je pripeljal letak, pripet na oglasno desko. Vannevar Bush je iskal novega pomočnika za delo na diferencialnem analizatorju. Shannon je brez obotavljanja oddal svojo prošnjo in kmalu začel reševati nove težave, preden je nova naprava začela dobivati obliko.
Shannon ni bila nič podobna Bushu. Ni bil niti poslovnež, niti graditelj akademskega imperija, niti administrator. Vse življenje je ljubil igre, uganke in zabavo: šah, žongliranje, labirinte, kriptograme. Kot mnogi možje njegove dobe se je Shannon med vojno posvetil resnemu poslu: na podlagi vladne pogodbe je imel položaj v Bell Labs, ki je njegovo krhko telo zaščitil pred vpoklicem v vojsko. Njegove raziskave o nadzoru ognja in kriptografiji v tem obdobju so vodile do temeljnega dela o teoriji informacij (ki se je ne bomo dotikali). V petdesetih letih prejšnjega stoletja, ko so se vojna in njene posledice umirile, se je Shannon vrnil k poučevanju na MIT, svoj prosti čas pa je porabil za razvedrila: kalkulator, ki je deloval izključno z rimskimi številkami; stroj, ko se je vklopil, se je iz njega pojavila mehanska roka in izklopila stroj.
Struktura Rockefellerjevega stroja, s katerim se je srečala Shannon, je bila logično enaka kot pri analizatorju iz leta 1931, vendar je bil zgrajen iz popolnoma drugačnih fizičnih komponent. Busch je ugotovil, da so palice in mehanski zobniki v starejših strojih zmanjšali učinkovitost njihove uporabe: za izvedbo izračunov je bilo treba stroj nastaviti, kar je zahtevalo veliko delovnih ur izkušenih mehanikov.
Novi analizator je izgubil to pomanjkljivost. Njegova zasnova ni temeljila na mizi s palicami, temveč na križnem komutatorju, presežnem prototipu, ki ga je podaril Bell Labs. Namesto prenosa moči s centralne gredi je vsak integralni modul neodvisno poganjal elektromotor. Za konfiguracijo stroja za reševanje novega problema je bilo dovolj, da preprosto konfigurirate releje v koordinatni matriki, da povežete integratorje v želenem zaporedju. Čitalnik luknjanega traku (izposojen iz druge telekomunikacijske naprave, rolo teletipa) je prebral konfiguracijo stroja, relejno vezje pa je pretvorilo signal s traku v krmilne signale za matriko – bilo je, kot bi vzpostavili niz telefonskih klicev med integratorji.
Novi stroj ni bil le veliko hitrejši in lažji za nastavitev, bil je tudi hitrejši in natančnejši od svojega predhodnika. Lahko bi rešila bolj zapletene probleme. Danes bi lahko ta računalnik veljal za primitivnega, celo ekstravagantnega, toda takrat se je opazovalcem zdelo, da je na delu neka velika – ali morda grozna – inteligenca:
V bistvu je to matematični robot. Avtomat na električni pogon, zasnovan ne samo za razbremenitev človeških možganov bremena težkih izračunov in analiz, ampak za napad in reševanje matematičnih problemov, ki jih um ne more rešiti.
Shannon se je osredotočil na pretvorbo podatkov s papirnatega traku v navodila za "možgane", za to operacijo pa je bilo odgovorno relejno vezje. Opazil je ujemanje med strukturo vezja in matematičnimi strukturami Boolove algebre, ki jo je študiral na podiplomski šoli v Michiganu. To je algebra, katere operandi so bili DRŽI in LAŽI, in po operaterjih - IN, ALI, NE itd. Algebra, ki ustreza logičnim izjavam.
Potem ko je poletje 1937 preživel v Bell Labs na Manhattnu (idealno mesto za razmišljanje o relejnih vezjih), je Shannon napisal svojo magistrsko nalogo z naslovom "Simbolična analiza relejev in stikalnih vezij". Skupaj z delom Alana Turinga leto prej je Shannonova teza tvorila temelje računalniške znanosti.
V štiridesetih in petdesetih letih 1940. stoletja je Shannon izdelal več računalniških/logičnih strojev: rimski kalkulator THROBAC, stroj za končno igro šaha in Tezej, labirint, skozi katerega se je premikala elektromehanska miška (na sliki)
Shannon je odkril, da je mogoče sistem propozicionalnih logičnih enačb neposredno mehanično pretvoriti v fizično vezje relejnih stikal. Zaključil je: "Prav gotovo vsako operacijo, ki jo je mogoče opisati v končnem številu korakov z besedami ČE, IN, ALI itd., se lahko izvede samodejno z uporabo releja.« Na primer, dva zaporedno povezana krmiljena stikalna releja tvorita logično И: Tok bo tekel skozi glavno žico le, ko sta oba elektromagneta aktivirana za zapiranje stikal. Istočasno sta vzporedno povezana dva releja ALI: Tok teče skozi glavno vezje, ki ga aktivira eden od elektromagnetov. Izhod takšnega logičnega vezja lahko nato krmili elektromagnete drugih relejev, da proizvede bolj zapletene logične operacije, kot je (A И B) ali (C И G).
Shannon je zaključil svojo disertacijo z dodatkom, ki vsebuje več primerov vezij, ustvarjenih po njegovi metodi. Ker so operacije Boolove algebre zelo podobne binarnim aritmetičnim operacijam (tj. z uporabo binarnih števil), je pokazal, kako bi lahko rele sestavili v "električni seštevalnik v binarnem sistemu" - imenujemo ga binarni seštevalnik. Nekaj mesecev kasneje je eden od znanstvenikov Bell Labs zgradil tak seštevalnik na svoji kuhinjski mizi.
Stibitz
George Stibitz, raziskovalec na oddelku za matematiko na sedežu Bell Labs na Manhattnu, je nekega temnega novembrskega večera leta 1937 domov prinesel nenavaden komplet opreme. Suhe baterijske celice, dve majhni lučki za strojne plošče in nekaj ploščatih relejev tipa U, najdenih v smetnjaku. Z dodajanjem nekaj žic in nekaj krame je sestavil napravo, ki je lahko seštela dve enomestni binarni števili (predstavljeni s prisotnostjo ali odsotnostjo vhodne napetosti) in z uporabo žarnic izdala dvomestno število: eno za vklopljeno, nič za izklop.
Binarni Stiebitzov seštevalnik
Stiebitza, po izobrazbi fizika, so prosili, naj oceni fizikalne lastnosti relejnih magnetov. Predhodnih izkušenj z releji sploh ni imel, zato je začel preučevati njihovo uporabo v telefonskih tokokrogih Bell. George je kmalu opazil podobnosti med nekaterimi vezji in binarnimi aritmetičnimi operacijami. Zaintrigiran je sestavil svoj stranski projekt na kuhinjski mizi.
Sprva je Stiebitzevo ukvarjanje z releji vzbudilo malo zanimanja vodstva Bell Labs. Toda leta 1938 je vodja raziskovalne skupine Georgea vprašal, ali bi njegove kalkulatorje lahko uporabili za aritmetične operacije s kompleksnimi števili (npr. a+biČe i je kvadratni koren negativnega števila). Izkazalo se je, da je več računalniških oddelkov v Bell Labs že stokalo, ker so morali nenehno množiti in deliti taka števila. Za množenje enega kompleksnega števila so bile potrebne štiri aritmetične operacije na namiznem kalkulatorju, za deljenje pa 16 operacij. Stibitz je rekel, da bi lahko rešil težavo in oblikoval strojno vezje za takšne izračune.
Končno zasnovo, ki jo je v kovino utelesil telefonski inženir Samuel Williams, so poimenovali Kompleksni številski računalnik - ali na kratko Kompleksni računalnik - in ga lansirali leta 1940. Za izračune je bilo uporabljenih 450 relejev, vmesni rezultati so bili shranjeni v desetih koordinatnih stikalih. Podatki so bili vneseni in prejeti s pomočjo rolo teletipa. Oddelki Bell Labs so namestili tri take teletipe, kar kaže na veliko potrebo po računalniški moči. Releji, matrice, teletipi - v vseh pogledih je bil produkt sistema Bell.
Najboljša ura podjetja Complex Computer je odbila 11. septembra 1940. Stiebitz je predstavil poročilo o računalniku na srečanju Ameriškega matematičnega društva na Dartmouth College. Strinjal se je, da bodo tam namestili teletip s telegrafsko povezavo s Complex Computerom na 400 kilometrov oddaljenem Manhattnu. Zainteresirani so lahko šli do teletipa, na tipkovnici vpisali pogoje problema in videli, kako v manj kot minuti teletip čarobno izpiše rezultat. Med tistimi, ki so testirali nov izdelek, sta bila John Mauchly in John von Neumann, ki bosta vsak odigrala pomembno vlogo pri nadaljevanju naše zgodbe.
Udeleženci srečanja so videli kratek pogled v prihodnji svet. Pozneje so računalniki postali tako dragi, da si skrbniki niso mogli več privoščiti, da bi ležali, medtem ko bi si uporabnik praskal brado pred upravljalno konzolo in razmišljal, kaj naj vtipka naslednjič. V naslednjih 20 letih bodo znanstveniki razmišljali o tem, kako zgraditi računalnike za splošno uporabo, ki bodo vedno čakali, da vanje vnesete podatke, tudi ko delate na nečem drugem. In potem bo minilo nadaljnjih 20 let, dokler ta interaktivni način računalništva ne postane vsakdanjik.
Stiebitz za interaktivnim terminalom Dartmouth v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Dartmouth College je bil pionir na področju interaktivnega računalništva. Stiebitz je leta 1960 postal visokošolski profesor
Presenetljivo je, da Complex Computer kljub težavam, ki jih rešuje, po sodobnih standardih sploh ni računalnik. Lahko bi izvajal aritmetične operacije na kompleksnih številih in verjetno reševal druge podobne probleme, vendar ne problemov splošnega namena. Ni ga bilo mogoče programirati. Operacij ni mogel izvajati v naključnem vrstnem redu ali večkrat. Bil je kalkulator, ki je določene izračune opravljal veliko bolje kot njegovi predhodniki.
Z izbruhom druge svetovne vojne je Bell pod vodstvom Stiebitza ustvaril serijo računalnikov, imenovanih Model II, Model III in Model IV (Complex Computer se je zato imenoval Model I). Večina jih je bila zgrajena na zahtevo Nacionalnega odbora za obrambne raziskave, vodil pa ga je nihče drug kot Vannevar Bush. Stibitz je izboljšal zasnovo strojev v smislu večje vsestranskosti funkcij in možnosti programiranja.
Balistični kalkulator (pozneje model III) je bil na primer razvit za potrebe protiletalskih sistemov za nadzor ognja. Leta 1944 so ga začeli uporabljati v Fort Blissu v Teksasu. Naprava je vsebovala 1400 relejev in je lahko izvajala program matematičnih operacij, določenih z zaporedjem navodil na papirnatem traku z zanko. Trak z vhodnimi podatki je bil dobavljen posebej, tabelarični podatki pa posebej. To je omogočilo hitro iskanje vrednosti na primer trigonometričnih funkcij brez pravih izračunov. Bellovi inženirji so razvili posebna iskalna vezja (lovna vezja), ki so skenirala trak naprej/nazaj in iskala naslov želene vrednosti tabele, ne glede na izračune. Stibitz je ugotovil, da je njegov računalnik Model III, ki kliče releje dan in noč, zamenjal 25-40 računalnikov.
Relejni nosilci Bell Model III
Avtomobil Model V ni imel več časa videti služenja vojaškega roka. Postal je še bolj vsestranski in močan. Če ocenjujemo število računalnikov, ki jih je zamenjal, potem je bil približno desetkrat večji od modela III. Več računalniških modulov z 9 tisoč releji je lahko prejemalo vhodne podatke iz več postaj, kjer so uporabniki vnašali pogoje različnih nalog. Vsaka taka postaja je imela en čitalnik trakov za vnos podatkov in pet za navodila. To je omogočilo priklic različnih podprogramov z glavnega traku pri izračunu naloge. Glavni nadzorni modul (v bistvu analog operacijskega sistema) je razdelil navodila med računalniškimi moduli glede na njihovo razpoložljivost, programi pa so lahko izvajali pogojne veje. Ni bil več le kalkulator.
Leto čudežev: 1937
Leto 1937 lahko štejemo za prelomnico v zgodovini računalništva. Tistega leta sta Shannon in Stibitz opazila podobnosti med relejnimi vezji in matematičnimi funkcijami. Te ugotovitve so Bell Labs vodile k izdelavi serije pomembnih digitalnih strojev. Bilo je nekako - ali celo zamenjava - ko je skromen telefonski rele, ne da bi spremenil fizično obliko, postal utelešenje abstraktne matematike in logike.
Istega leta v januarski številki publikacije Zbornik London Mathematical Society objavil članek britanskega matematika Alana Turinga »O izračunljivih številih v zvezi z "(O izračunljivih številih, z aplikacijo na Entscheidungsproblem). Opisal je univerzalni računalniški stroj: avtor je trdil, da lahko izvaja dejanja, ki so logično enakovredna dejanjem človeških računalnikov. Turinga, ki je prejšnje leto vstopil v podiplomsko šolo na Univerzi Princeton, so zanimala tudi relejna vezja. In tako kot Busha je zaskrbljen zaradi vse večje grožnje vojne z Nemčijo. Zato se je lotil stranskega kriptografskega projekta – binarnega množitelja, ki bi ga lahko uporabili za šifriranje vojaških komunikacij. Turing ga je zgradil iz relejev, sestavljenih v univerzitetni strojnici.
Tudi leta 1937 je Howard Aiken razmišljal o predlaganem avtomatskem računalniškem stroju. Aiken, ki je podiplomski študent elektrotehnike na Harvardu opravil pošten delež izračunov samo z mehanskim kalkulatorjem in natisnjenimi knjigami matematičnih tabel. Predlagal je zasnovo, ki bi odpravila to rutino. Za razliko od obstoječih računalniških naprav naj bi procese obdeloval samodejno in ciklično, pri čemer bi rezultate prejšnjih izračunov uporabljal kot vhodne podatke za naslednje.
Medtem je telekomunikacijski inženir Akira Nakashima v Nippon Electric Company od leta 1935 raziskoval povezave med relejnimi vezji in matematiko. Končno je leta 1938 neodvisno dokazal enakovrednost relejnih vezij Boolovi algebri, ki jo je Shannon odkril leto prej.
V Berlinu je Konrad Zuse, nekdanji letalski inženir, utrujen od neskončnih izračunov, potrebnih v službi, iskal sredstva za izdelavo drugega računalnika. Svoje prve mehanske naprave, V1, ni mogel doseči, da bi delovala zanesljivo, zato je želel izdelati relejni računalnik, ki ga je razvil skupaj s prijateljem, inženirjem telekomunikacij Helmutom Schreyerjem.
Vsestranskost telefonskih relejev, sklepi o matematični logiki, želja bistrih umov, da bi se znebili umomotopljujočega dela - vse to se je prepletalo in pripeljalo do nastanka ideje o novi vrsti logičnega stroja.
Pozabljena generacija
Sadovi odkritij in razvoja leta 1937 so morali zoreti več let. Vojna se je izkazala za najmočnejše gnojilo in z njenim prihodom so se začeli pojavljati relejni računalniki povsod, kjer je obstajalo potrebno tehnično znanje. Matematična logika je postala trta za elektrotehniko. Pojavile so se nove oblike programabilnih računalniških strojev - prva skica sodobnih računalnikov.
Poleg Stiebitzovih strojev so se ZDA leta 1944 lahko pohvalile s Harvard Mark I/IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), rezultatom Aikenovega predloga. Dvojno ime je nastalo zaradi poslabšanja odnosov med akademijo in industrijo: vsi so zahtevali pravice do naprave. Mark I/ASCC je uporabljal relejna krmilna vezja, vendar je glavna aritmetična enota temeljila na arhitekturi mehanskih kalkulatorjev IBM. Vozilo je bilo ustvarjeno za potrebe ameriškega urada za ladjedelništvo. Njegov naslednik, Mark II, je začel delovati leta 1948 na poligonu mornarice in vse njegove operacije so v celoti temeljile na relejih - 13 relejih.
Med vojno je Zuse zgradil več relejnih računalnikov, ki so postajali vedno bolj zapleteni. Vrhunec je bil V4, ki je tako kot Bell Model V vključeval nastavitve za klic podprogramov in izvajal pogojne veje. Zaradi pomanjkanja materiala na Japonskem nobeden od načrtov Nakashime in njegovih rojakov ni bil uresničen v kovini, dokler si država ni opomogla od vojne. V petdesetih letih 1950. stoletja je novoustanovljeno ministrstvo za zunanjo trgovino in industrijo financiralo izdelavo dveh relejev, od katerih je bil drugi pošast z 20 tisoč releji. Fujitsu, ki je sodeloval pri ustvarjanju, je razvil lastne komercialne izdelke.
Danes so ti stroji skoraj popolnoma pozabljeni. V spominu je ostalo le eno ime - ENIAC. Razlog za pozabo ni povezan z njihovo kompleksnostjo, zmožnostmi ali hitrostjo. Računalniške in logične lastnosti relejev, ki so jih odkrili znanstveniki in raziskovalci, veljajo za vse vrste naprav, ki lahko delujejo kot stikalo. In tako se je zgodilo, da je bila na voljo še ena podobna naprava - elektronski stikalo, ki bi lahko delovalo stokrat hitreje kot rele.
Pomen druge svetovne vojne v zgodovini računalništva bi moral biti že očiten. Najstrašnejša vojna je postala spodbuda za razvoj elektronskih strojev. Njegov začetek je sprostil vire, potrebne za premagovanje očitnih pomanjkljivosti elektronskih stikal. Vladavina elektromehanskih računalnikov je bila kratka. Tako kot Titane so jih strmoglavili njihovi otroci. Tako kot releji je elektronsko preklapljanje nastalo zaradi potreb telekomunikacijske industrije. In da ugotovimo, od kod izvira, moramo našo zgodovino previti nazaj na trenutek ob zori radijske dobe.
Vir: www.habr.com