V našem byla popsána éra automatických telefonních ústředen, které byly řízeny pomocí reléových schémat. Tentokrát bychom chtěli hovořit o tom, jak vědci a inženýři vyvíjeli reléová schémata v první — nyní již zapomenuté — generaci digitálních počítačů.
Relé na vrcholu
Pokud si pamatujete, práce relé se zakládá na jednoduchém principu: elektromagnet ovládá kovový přepínač. Myšlenku relé v 30. letech 19. století nezávisle na sobě navrhlo několik přírodovědců a podnikatelů v oblasti telegrafického byznysu. Poté v polovině 19. století transformovali vynálezci a mechanici relé na spolehlivou a nezbytnou součást telegrafických sítí. Právě v této oblasti dosáhlo relé svého vrcholu: bylo miniaturizováno a generace inženýrů vytvořily nespočet konstrukcí, formálně se učíce matematice a fyzice.
Na začátku 20. století neobsahovaly pouze automatické přepínací systémy, ale prakticky veškeré zařízení telefonních sítí různé typy relé. Jedna z nejranějších aplikací v telefonní komunikaci se datuje do 70. let, v ručních přepínačích. Když volající otáčel kličkou telefonu (magneto), na telefonní ústřednu dorazil signál, který spínal blikající signál. Blikající signál — to je relé, které při aktivaci spustilo kovovou clonu na přepínačovém stole telefonní operátorky, což signalizovalo příchozí hovor. Tehdy operátorka zasunula konektor do zásuvky, relé se resetovalo a pak mohlo být znovu spuštěno clonu, kterou v této poloze držel elektromagnet.
Do roku 1924, jak popsali dva inženýři společnosti Bell, typická ruční telefonní ústředna obsluhovala přibližně 10 tisíc předplatitelů. Ve svém zařízení měla 40—65 tisíc relé, jejichž souhrnná magnetická síla byla 'dostatečná k zvednutí 10 tun'. V případě velkých telefonních stanic s mechanickými přepínači se tyto charakteristiky dvojnásobily. V celém telefonním systému USA bylo používáno mnoho milionů relé a jejich počet neustále rostl v průběhu automatizace telefonních ústředen. Jedno telefonní spojení mohlo být obsluhováno od jednotek až po několik stovek relé — v závislosti na počtu a vybavení zapojených telefonních stanic.
Tovarne podjetja Western Electric, proizvodne strukture korporacije Bell, so proizvajale obsežno paleto relejev. Inženirji so ustvarili tolikšne različice, da bi bile na to raznolikost lahko občudovali tudi najbolj zahtevni lastniki psov ali ljubitelji golobov. Hitrost delovanja in občutljivost relejev sta se optimizirali, dimenzije pa so se zmanjševale. Leta 1921 je Western Electric proizvedel skoraj 5 milijonov relejev glavnih tipov. Najbolj množičen je bil univerzalni rele Tip E, ravno, skoraj pravokotna naprava, ki je tehtala nekaj deset gramov. Večinoma je bila izdelana iz stiskanih kovinskih delov, torej je bila tehnološko napredna za proizvodnjo. Ohišje je ščitilo kontakte pred prahom in induciranimi tokovi iz sosednjih naprav: običajno so bili releji nameščeni tesno drug ob drugem, v omarah s stotinami in tisoči relejev. Skupaj je bilo razvito 3000 variant Tip E, od katerih se je vsaka razlikovala po konfiguracijah navijanja in kontaktov.
Kmalu so ti releji začeli uporabljati v najbolj zapletenih kombinatorjih.
Kombinator koordinat
Leta 1910 je Gotthilf Betulander, inženir Royal Telegrafverket — državne korporacije, ki je nadzorovala večji del švedskega telefonskega trga (dolgo časa skoraj ves), prišel na idejo. Verjel je, da lahko močno izboljša učinkovitost operacij Telegrafverket z gradnjo avtomatskih kombinatoričnih sistemov, popolnoma temelječih na relejih. Natančneje, na relejskih matricah: mrežah iz jeklenih palic, povezanih s telefonskimi linijami, z releji na mestih križanj palic. Takšen kombinator bi moral delovati hitreje, zanesljiveje in biti preprostejši za vzdrževanje v primerjavi z sistemi, ki temeljijo na drsnih ali vrtečih kontaktih.
Poleg tega je Betulander prišel na idejo, da bi lahko dele sistema, odgovorne za izbiro in povezovanje, izpostavili kot neodvisne relejske sheme. Preostali del sistema naj bi se uporabljal le za vzpostavitev govornega kanala, nato pa se osvobodi za vzdrževanje drugega klica. To pomeni, da je Betulander prišel na idejo, ki so jo kasneje poimenovali 'skupno upravljanje' (common control).
She called the scheme that stores the number of an incoming call a "recorder" (another term is "register"). The scheme that finds in the grid and "marks" the available connection was called a "marker". The author patented his system. Several such stations appeared in Stockholm and London. In 1918, Betulander learned about the American innovation: a coordinate switch created five years earlier by Bell engineer John Reynolds. This switch resembled Betulander's development but used n + m relays for servicing n + m matrix nodes, which was much more convenient for further expansion of telephone stations. When establishing a connection, the holding bar would clamp the "fingers" from the piano strings, and the selecting bar would move along the matrix to connect with another call. The following year, Betulander implemented this idea into the design of his switch.
However, most engineers found Betulander's creation strange and overly complicated. When it came time to choose a switching system for automating networks in Sweden's largest cities, Telegrafverket opted for the design developed by Ericsson. Betulander's switches were only used in small telephone stations in rural areas: relays were more reliable than the motorized automation of Ericsson switches and did not require servicing technicians at every station.
However, American telephone engineers had a different opinion on the matter. In 1930, specialists from Bell Labs came to Sweden and were "very impressed with the parameters of the coordinate switching module." Upon returning, the Americans immediately began working on what later became known as "coordinate system No. 1," which replaced panel switches in large cities. By 1938, two such systems were installed in New York. Soon they became standard equipment for urban telephone stations until, more than 30 years later, they were replaced by electronic switches.
Najzanimljivejši del koordinatnega stikala št. 1 je postal nov, bolj zapleten marker, ki ga je razvilo podjetje Bell. Namenjen je bil iskanju prostega poti od klicatelja do klicanega preko več povezanih koordinatnih modulov, ki so omogočali telefonsko povezavo. Marker je moral tudi testirati vsako povezavo za stanje "prosto"/"zasedeno". To je zahtevalo uporabo pogojne logike. Kot je zapisal zgodovinar Robert Chapuis:
Izbira je pogojna, ker se prosti povezavi obdrži le, če zagotavlja dostop do koordinatne tirnice, ki ima kot izhod prosto povezavo z naslednjo stopnjo. Če več sklopov povezav zadostuje potrebnim pogojem, potem "prioritetna logika" izbere eno izmed [obstoječih] najslabše število povezav…
Koordinatno stikalo je odličen primer medsebojnega obogatitve tehnoloških idej. Betulander je ustvaril svojo povsem relejno stikalo, nato pa ga izboljšal s Reynoldsovo preklopno matrico in dokazal delovanje nastale konstrukcije. Inženirji AT&T so kasneje predelali to hibridno stikalo, ga izboljšali in ustvarili koordinatni sistem št. 1. Ta sistem je nato postal komponenta dveh zgodnjih računalniških naprav, od katerih je ena danes znana kot mejnik v zgodovini računalništva.
Matematični proračuni
Da bi razumeli, kako in zakaj so releji in njihovi elektronski sorodniki pomagali revolucionirati računalništvo, bomo potrebovali kratek izlet v svet matematičnega izračuna. Po tem bo jasno, zakaj je nastala skrita potreba po optimizaciji računalniških procesov.
Do začetka 20. stoletja je bil celoten sistem sodobne znanosti in inženirstva temeljen na delu tisoč ljudi, ki so izvajali matematične izračune. Ti so bili imenovani računalniki (computers) [Da ne bo zmede, se v nadaljevanju besedila uporablja izraz izračunavalci. — Op. ur.] Še v 1820-ih je Charles Babbage ustvaril (čeprav so njegovemu aparatu sledile idejne različice). Njeno glavno nalogo je bilo avtomatiziranje izdelave matematičnih tabel, na primer za navigacijo (izračun trigonometričnih funkcij s polinomskimi aproksimacijami pri 0 stopinjah, 0,01 stopinjah, 0,02 stopinjah itd.). Prav tako je bil velik povpraševanje po matematičnih izračunih v astronomiji: bilo je potrebno obdelati surove rezultate teleskopskih opazovanj na fiksnih področjih nebesne sfere (odvisno od časa in datuma opazovanj) ali določiti orbite novih objektov (na primer Halleyeve komete).
Od Babbidža se je potreba po računalnih strojih močno povečala. Elektroenergetskim podjetjem je bilo potrebno razumeti obnašanje primarnih sistemov prenosa energije z izjemno zapletenimi dinamičnimi lastnostmi. Topovi iz Bessemerjeve jeklene konstrukcije, sposobni izstreliti projektil za obzorje (in torej, zahvaljujoč neposrednemu opazovanju cilja, niso bili več usmerjani), so zahtevali vedno natančnejše balistične tabele. Nova statistična orodja, ki so predvidevala velike količine matematičnih izračunov (na primer metoda najmanjših kvadratov), so se vse bolj uporabljala tako v znanosti kot v rastočem državnem aparatu. Na univerzah, v vladnih agencijah in industrijskih korporacijah so se oblikovali oddelki za računalništvo, v katere so običajno zaposlovali ženske.
Mehanični kalkulatorji so le olajšali izračune, ne pa jih rešili. Kalkulatorji so pospešili aritmetične operacije, toda vsak kompleksnejši znanstveni ali inženirski problem je zahteval stotine ali tisoče operacij, ki jih je moral izračunati (človek) ročno, pri čemer je moral skrbno zapisovati vse vmesne rezultate.
Novo pristopi k problemu matematičnih izračunov so bili omogočeni z več dejavniki. Mladim znanstvenikom in inženirjem, ki so se mučili z izračuni svojih nalog pozno v noč, je bilo treba olajšati delo rokam in očem. Vodje projektov so bili prisiljeni vse bolj povečevati sredstva za plače številnim izračunavačem, zlasti po prvi svetovni vojni. Nazadnje so se mnoge napredne znanstvene in inženirske naloge le s trakom težko podale ročnemu izračunu. Vsi ti dejavniki so vodili do nastanka serij računalniških naprav, katerih razvoj je potekal pod vodstvom Vannevara Busha — inženirja elektroinženirstva z Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Diferenčni analizator
Do sedaj je bila zgodovina pogosto brezosebna, a zdaj bomo več govorili o konkretnih ljudeh. Slava je obšla ustvarjalce panelnih stikal, releja tipa E in sheme koordinatnega markerja. O njih ni ostalo niti biografskih anekdot. Edina javno dostopna pričevanja o njihovem življenju so fosilni ostanki naprav, ki so jih ustvarili.
Zdaj lahko dobimo globlje razumevanje ljudi in njihove preteklosti. A več ne bomo srečali tistih, ki so trdo delali na podstrešjih in v delavnicah doma — Morzea in Weila, Bella in Watsona. Do konca prve svetovne vojne je doba herojske iznajdljivosti skoraj končala. Thomas Edison je lahko razumljen kot prehodna figura: na začetku kariere je bil zaposlen izumitelj, proti koncu pa lastnik 'tovarne izumov'. Do takrat je razvoj najbolj opaznih novih tehnologij postalo področje organizacij — univerz, raziskovalnih oddelkov podjetij, vladnih laboratorijev. Ljudje, o katerih bomo govorili v tem razdelku, so pripadali takšnim organizacijam.
Na primjer, Veniamin Bush. Stigao je na MIT 1919. godine kada je imao 29 godina. Oko 20 godina kasnije, postao je jedan od uticajnih ljudi koji su doprineli američkom angažmanu u Drugom svetskom ratu, pomažući da se poveća državna finansiranja, što je zauvek promenilo odnose između vlade, akademske zajednice i razvoja nauke i tehnologije. Međutim, u okviru ovog članka nas zanimaju serije mašina koje su razvijene u Bushovom laboratoriju od sredine 1920-ih, a koje su bile namenjene rešavanju problema matematičkih proračuna.
MIT, koji se nedavno preselio iz centralnog Bostona na obalu reke Charles u Kembridžu, bio je usko povezan s potrebama industrije. Sam Bush, pored profesorske delatnosti, imao je finansijske interese u nekoliko preduzeća u oblasti elektronike. Zato ne treba da vas iznenađuje činjenica da je problem koji je doveo Busha i njegove studente do rada na novom računalnom uređaju nastao u energetskoj industriji: bilo je potrebno simulirati ponašanje glavnih dalekovoda pod uslovima vršnih opterećenja. Očigledno, ovo je bilo samo jedno od mnogih mogućih primena računalnih mašina: iscrpljujući matematički proračuni obavljali su se svuda.
Bush i njegovi saradnici prvo su izgradili dve mašine koje su nazvali produkcionim integrapfima. Međutim, najpoznatija i najuspešnija mašina MIT-a postala je druga — diferenicijalni analazator, završena 1931. godine. Rešavala je probleme prenosa električne energije, izračunavala orbitske putanje elektrona, putanje kosmičkog zračenja u zemljinom magnetskom polju i još mnogo toga. Istraživači širom sveta, kojima su bile potrebne računalne moći, stvorili su tridesetih godina dvadesetog veka desetine kopija i varijanti diferencijalnog analizatora. Neki — čak i od Meccano (engleskog pandana američkim dečjima konstruktorskim setovima marke ).
Diferenčni analizador je analogni računalnik. Matemat functions so se izračunavale s pomočjo vrtljivih kovinskih palic, pri čemer je hitrost vrtenja vsake izmed njih odražala določeno količinsko vrednost. Motor je poganjal neodvisno palico – spremenljivko (ponavadi je predstavljala čas), ta pa je preko mehanskih povezav vrtela druge palice (različne diferencne spremenljivke), na podlagi vhodne hitrosti vrtenja pa se je izračunavala funkcija. Rezultati izračunov so bili na papirju prikazani kot krivulje. Najpomembnejši sestavni del so bili integratorji – kolesa, ki so se vrtela z diski. Integratorji so lahko izračunali integral krivulje brez zamudnih ročnih preračunavanj.
Diferenčni analizador. Integracijska enota – z dvignjeno pokrovko, na strani okna so mize z rezultati izračunov, v sredini pa kompleks izračunskih palic.
Noben od komponent analizatorja ni vseboval diskretnih preklopnih relejev ali kakršnih koli digitalnih stikal. Zakaj torej govorimo o tem napravi? Odgovor daje četvrti stroj družine.
V začetku tridesetih let je Bush začel obiskovati Fundacijo Rockefeller, da bi pridobil financiranje za nadaljnji razvoj analizatorja. Warren Weaver, šef oddelka za naravoslovne vede fundacije, sprva ni bil prepričan. Inženirstvo ni bilo v njegovi pristojnosti. Vendar je Bush oglaševal neomejen potencial svojega novega stroja v zvezi z znanstvenimi aplikacijami – zlasti v matematični biologiji, njegovem najljubšem projektu. Poleg tega je Bush obljubil številne izboljšave analizatorja, vključno z "možnostjo hitrega preklapljanja analizatorja med različnimi problemi, kot pri telefonskem centralu". Leta 1936 so bili njegovi napori nagrajeni z grantom v višini 85 tisoč dolarjev, dodeljenim za ustvarjanje nove naprave, ki je kasneje dobila ime diferenčni analizator Rockefeller.
Kot v praksi ta analizator ni bil izjemna prelomnica. Bush, ki je postal podpredsednik MIT in dekan inženirske fakultete, ni mogel posvetiti veliko časa vodenju razvoja. Dejansko se je kmalu umaknil in začel z dolžnostmi predsednika Carnegiejevega inštituta v Washingtonu. Bush je čutil približevanje vojne, imel je več znanstvenih in proizvodnih idej, ki bi lahko koristile oboroženim silam. To pomeni, da je želel biti bližje centru moči, kjer bi lahko bolj učinkovito vplival na reševanje določenih vprašanj.
Hkrati so zaposleni v laboratoriju reševali tehnične težave, ki jih je dikterala nova zasnova, in kmalu so jih začeli odvračati za delo na vojaških nalogah. Rockefellerjev stroj je bil dokončan šele leta 1942. Vojska ga je menila za koristnega za tekočo proizvodnjo balističnih tabel za artilerijo. Toda kmalu je to napravo zasenčila povsem digitalna računalnika, ki so štele številke ne kot fizične količine, temveč abstraktno, s pomočjo položajev stikala. Tako se je zgodilo, da je v samem analizatorju Rockefeller uporabljenih kar precej takšnih stikal, sestavljenih iz relejskih shem.
Shannon
Leta 1936 je imel Claude Shannon šele 20 let, a že je končal Univerzo Michigan z diplomo na dveh področjih: elektroinženirstvo in matematika. V MIT ga je pripeljal oglas, pritrjen na oglasno desko. Venivar Bush je iskal novega asistenta za delo na diferencialnem analizatorju. Shannon se je brez oklevanja prijavil in kmalu začel delati na novih problemih, šele potem je novo napravo začelo pridobivati obliko.
Shannon ni bil popoln kot Bush. Ni bil ne podjetnik, ne graditelj akademske imperije, ne administrator. Vse življenje je imel rad igre, uganke in zabave: šah, žongliranje, labirinte, kriptograme. Kot mnogi moški njegove dobe je med vojno Shannon posvetil resnemu delu: delal je za Bell Labs s položajem po vladnem naročilu, kar je zaščitilo njegovo krhko telo pred vojnim pozivom. Njegove raziskave o nadzoru ognja in kriptografiji so v tem obdobju privedle do temeljne dela o teoriji informacij (o tem se ne bomo pogovarjali). V petdesetih letih, ko je vojna in njene posledice utihnile, se je Shannon vrnil k poučevanju na MIT, svoj prosti čas pa je preživljal pri zabavah: kalkulator, ki deluje izključno z rimskimi številkami; stroj, ki ob vklopu iz nje izstopa mehanična roka in izklopi napravo.
Struktura Rockefellerjeve naprave, s katero se je Shannon srečal, je logično ostala enaka kot pri analizatorju iz leta 1931, vendar je bila zgrajena iz povsem drugih fizičnih komponent. Bush je razumel, da so palice in mehanski prenosi v starih napravah zmanjšali učinkovitost njihove uporabe: za izvedbo izračunov je bilo treba prilagoditi stroj, kar je zahtevalo veliko delovnih ur usposobljenih mehanikov.
Nov analizator tega pomanjkljivosti ni imel. V njegovi zasnovi ni bilo mize s palicami, ampak koordinatni preklopnik — odvečen prototip, darovan Bell Labs. Namesto prenosa moči s centralnega gredi je bil vsak integracijski modul neodvisno napajan z elektromotorjem. Za nastavitev stroja za rešitev nove naloge je bilo dovolj, da se preprosto konfigurira rele v koordinatni matrici, da se poveže integratorje v želenem zaporedju. Čitalnik perforirane traku (priznan iz druge telekomunikacijske naprave, valjčnega teleprinterja) je prebral konfiguracijo stroja, relejna shema pa je spremenila signal iz traku v krmilne signale za matrico — to je spominjalo na vzpostavljanje vrste telefonskih klicev med integratorji.
Nova mašina ni le hitro in enostavno nastavljala, temveč je delovala hitreje in natančneje od svojega predhodnika. Zmožna je bila reševati bolj zapletene naloge. Danes lahko to računalnik štejemo za primitiven, celo ekstravaganten, a takrat se je opazovalcem zdel kot nekakšen velik — ali morda strašen — delujoč razum:
V bistvu gre za matematičnega robota. Električno napajani avtomaton, ustvarjen ne samo zato, da bi odstrelil breme težkih izračunov in analiz s človeških možganov, temveč tudi zato, da bi se spustil na matematične naloge, ki jih človeški razum ne more rešiti, in jih rešil.
Shannon se je osredotočil na pretvorbo podatkov iz papirnega traku v navodila za 'možgani', pri čemer je za to operacijo odgovarjala relejna shema. Opozoril je na ustreznost med strukturo sheme in matematičnimi strukturami Boolove algebre, ki jih je proučeval v zadnjem letniku na Michigan State. To je algebra, katere operand je bil RESNICA in LAŽ, operatorji pa so bili IN, ALI, NE itd. Algebra, ki je ustrezala logičnim trditvam.
Poletje 1937 je preživel na delu v Bell Labs na Manhattnu (popolno mesto za razmišljanje o relejnih shemah), kjer je napisal magistrsko nalogo z naslovom 'Simbolična analiza relejnih in preklopnih shem' (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Poleg dela Alana Turinga, ki je bilo ustvarjeno leto prej, je Shannonova naloga oblikovala osnovo znanosti o računalniških strojih.
V 1940-ih in 1950-ih je Shannon zgradil več računalniških/logičnih strojev: kalkulator z rimskimi številkami THROBAC, stroja za šahovske končnice in Theseus — labirint, po katerem je vozila elektromehanska miš (na sliki)
Shannon je odkril, da se lahko sistem enačb propozicionalne logike neposredno mehanično pretvori v fizično shemo relejnih stikal. Sklenil je: 'Dejansko lahko katero koli operacijo, ki jo je mogoče opisati s končnim številom korakov s pomočjo besed ČE, IN, ALI itd., lahko avtomatsko izvede s pomočjo relejev'. Na primer, dva krmiljena releja stikala, povezana zaporedno, tvorita logično In: tok bo tekel, kadar bosta dva elektromagneti aktivirana za zatvaranje prekidača. U isto vreme, dva releja povezana paralelno formiraju ILI: tok teče kroz glavnu shemu, aktiviranu jednim od elektromagneti. Izlazi te logičke šeme mogu, zauzvrat, upravljati elektromagnetima drugih releja da bi dobili složenije logičke operacije kao što su (A In B) ili (V In G).
Šenon je završio disertaciju aplikacijom s nekoliko primera shema, napravljenih po njegovoj metodi. Budući da su operacije boolske algebre veoma slične aritmetičkim operacijama u binarnom sistemu (tj. koristeći binarne brojeve), pokazao je kako se može sastaviti od releja "električni sabirač u binarnom sistemu" — nazvali smo to binarnim sabiračem. Nekoliko meseci kasnije, jedan od naučnika Bell Labs napravio je takav sabirač na kuhinjskom stolu.
Štibic
Džordž Štibic (George Stibitz), istraživač iz matematičkog odeljenja glavne kancelarije Bell Labs na Menhetnu, jedne mračne novembarske večeri 1937. doneo je kući čudan set opreme. Suvi akumulatori, dve male sijalice za hardverske štitove i nekoliko ravnih releja Type U, pronađenih u kontejneru za otpad. Dodajući nekoliko žica i raznog smeća, sastavio je uređaj koji je mogao da sabira dva jednocifrena binarna broja (predstavljena prisustvom ili odsustvom ulaznog napona) i davati dvocifreni broj pomoću sijalica: jedinica — uključeno, nula — isključeno.
Binarni sabirač Štibica
Štibic, po obrazovanju fizičar, je zamoljen da oceni fizičke osobine relejnih magneta. Ranije nije imao iskustva s relejima i zbog toga je počeo sa proučavanjem njihove upotrebe u telefonskim shemama Bell. Ubrzo je Džordž primetio sličnost između nekih shema i aritmetičkih operacija s binarnim brojevima. Zaintrigiran, sastavio je na kuhinjskom stolu svoj sporedni projekat.
Isprva je zabava Štibica s relejima izazvala malo interesa kod rukovodstva Bell Labs. Ali 1938. godine, vođa istraživačke grupe je pitao Džordža, mogu li se njegovi kalkulatori koristiti za aritmetičke operacije s kompleksnim brojevima (na primer, a + bi, gde i — kvadratni koren negativnog broja). Ispostavilo se da su se nekoliko računarskih odeljenja u Bell Labs-u već jecala zbog toga što su stalno morala da množe i dele takve brojeve. Množenje jednog kompleksnog broja zahtevalo je četiri aritmetičke operacije na stolnom kalkulatoru, deljenje — 16 operacija. Štibic je rekao da može da reši problem i razvio je šemu mašine za takva izračunavanja.
Konačnu konstrukciju, koju je ostvario telefon inženjer Samuel Williams, nazvali su Complex Number Computer — ili skraćeno Complex Computer — i puštena je u rad 1940. godine. Za izračunavanja je korišćeno 450 releja, a međurezultati su se čuvali u deset koordinarnih prekidača. Podaci su unosili i primani pomoću rolne teletipa. U odeljenjima Bell Labs-a postavljeni su tri takva teletipa, što govori o velikim potrebama za računskoj moći. Releji, matrica, teletipi — u svakom pogledu to je bio proizvod sistema Bell.
Zvezdani čas Complex Computer-a došao je 11. septembra 1940. godine. Štibic je predstavio izveštaj o računaru na sastanku Američkog matematičkog društva na Dartmouth koledžu. Dogovorio se da će tamo biti postavljen teletip s telegraskim povezivanjem sa Complex Computer-om na Menhetnu, na 400 kilometara udaljenosti. Željni su mogli da priđu teletipu, unesu na tastaturi uslove zadatka i vide kako manje od minuta kasnije teletip čarobno otkucava rezultat. Među onima koji su isprobavali novinu bili su Džon Maučli i Džon fon Neuman, od kojih će svaki odigrati važnu ulogu u nastavku naše priče.
Učesnici sastanka videli su kratki uvid u budući svet. Kasnije su računari postali tako skupi da administratori više nisu mogli da priušte da stoje bez posla dok korisnik češka bradu ispred kontrolne konzole razmišljajući šta dalje da unese. Tokom narednih 20 godina naučnici će razmišljati o tome kako da kreiraju računare opšte namene koji će uvek biti spremni da čekaju na unos podataka, čak i dok rade na nečemu drugom. I zatim će proći još 20 godina pre nego što ovaj interaktivni režim izračunavanja postane uobičajen.
Štibic z Dartmouthskega interaktivnega terminala v 60. letih. Dartmouth College je bil pionir na področju interaktivnega računalništva. Štibic je postal profesor na kolidžu leta 1964.
Osupljivo je, da, kljub nalogam, ki jih je reševal, Complex Computer po sodobnih merilih – sploh ni računalnik. Lahko je izvajal aritmetične operacije s kompleksnimi številkami in verjetno reševal tudi druge podobne naloge, vendar ne naloge splošnega namena. Ni bil programirljiv. Ni mogel izvajati operacij v poljubnem zaporedju ali ponoviti. Bil je kalkulator, sposoben izvesti določene izračune veliko bolje od svojih predhodnikov.
Z začetkom druge svetovne vojne je Bell pod vodstvom Štibica razvil serijo računalnikov po imenih Model II, Model III in Model IV (Complex Computer je ustrezno prejel ime Model I). Večino izmed njih so zgradili na zahtevo Nacionalnega raziskovalnega odbora za obrambo, ki ga je vodil nihče drug kot Vannevar Bush. Štibic je izboljšal zasnovo strojev z vidika večje univerzalnosti funkcij in programirljivosti.
Na primer, Ballistic Calculator (kasneje – Model III) je bil razvit za potrebe sistemov za upravljanje protiletalskega streljanja. V uporabo je bil uveden leta 1944 v Fort Blissu, Texas. Naprava je vsebovala 1400 relejev in je lahko izvajala program matematičnih operacij, določen s zaporedjem navodil na zakroženi papirni trak. Ločeno je bila podana trak z vhodnimi podatki, ločeno – tabelarni podatki. To je omogočilo hitro iskanje vrednosti, na primer trigonometričnih funkcij, brez pravih izračunov. Inženirji Bell so razvili posebne iskalne sheme (hunting circuits), ki so skenirale trak naprej/nazaj in iskale naslov potrebne tabelarne vrednosti neodvisno od izračunov. Štibic je ugotovil, da njegov računalnik Model III, ki je dan in noč klikatal releje, nadomešča 25–40 računalk.
Stojala z relejem Bell Model III
Model V že ni imela priložnosti, da bi služila vojski. Postala je še bolj vsestranska in močnejša. Če ocenjujemo glede na število zamenljivih računalnikov, je približno desetkrat presegala Model III. Nekaj računalniških modulov z 9.000 releji je lahko prejemalo vhodne podatke z več postaj, kjer so uporabniki vnašali pogoje različnih nalog. Vsaka takšna postaja je imela en trakovni bralnik za vhodne podatke in pet za navodila. To je omogočilo, da so se pri izračunu naloge z osnovnega traku aktivirale različne podprogrami. Glavni nadzorni modul (v bistvu ekvivalent operacijskega sistema) je razdeljeval navodila računalniškim modulom glede na njihovo dostopnost, programi pa so lahko izvajali pogojne prehode. To že ni bil zgolj kalkulator.
Leto čudežev: 1937
Leto 1937 lahko štejemo za prelomnico v zgodovini računalniških naprav. V tem letu sta Shannon in Stibitz opazila podobnost med relejnimi vezji in matematičnimi funkcijami. Ti sklepi so vodili Bell Labs do ustvarjanja cele serije pomembnih digitalnih strojev. To je bila neka vrsta — ali celo zamenjave — ko je skromno telefonsko rele, brez spremembe fizične oblike, postalo utelešenje abstraktne matematike in logike.
V istem letu je v januarskem številu publikacije Proceedings of the London Mathematical Society izšla članek britanskega matematika Alana Turinga „O izračunljivih številih v zvezi z “ (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). V njem je bila opisana univerzalna računalniška naprava: avtor je trdil, da bi lahko izvajala dejanja, logično ekvivalentna dejanjem človeških računalnikov. Turing, ki je prejšnje leto začel podiplomski študij na univerzi Princeton, je prav tako bil navdušen nad relejnimi vezji. In, tako kot Bush, zaskrbljen zaradi naraščajoče grožnje vojne z Nemčijo. Zato se je lotil stranskega kriptografskega projekta – binarnega množilnika, ki bi ga lahko uporabili za šifriranje vojaških sporočil. Turing ga je zgradil iz relejev, zbranih v univerzitetni mehanični delavnici.
V tem istem 1937. letu je Howard Aiken razmišljal o domnevnem avtomatskem računalniku. Harvardov podiplomski študent elektrotehnike je z mehaničnim kalkulatorjem in tiskanimi knjigami z matematičnimi tabelami opravil velik del izračunov. Predlagal je zasnovo, ki bi odpravila to rutinsko delo. Za razliko od obstoječih računalniških naprav, bi morala avtomatsko in ciklično obravnavati procese, pri čemer bi rezultate prejšnjih izračunov uporabila kot vhodne podatke za naslednje.
Medtem je v Nippon Electric Company telekomunikacijski inženir Akira Nakashima že od leta 1935 raziskoval povezave med relejnimi vezji in matematiko. Končno je leta 1938 sam dokazal ekvivalentnost relejnih vezij in Booleove algebre, ki jo je Shannon odkril leto prej.
V Berlinu je Konrad Zuse, nekdanji letalski inženir, ki je bil utrujen od neskončnih izračunov, ki so bili potrebni pri delu, iskal sredstva za izdelavo drugega računalnika. Ni mu uspelo zanesljivo delovati njegovemu prvemu mehaničnemu napravi - V1, zato je želel izdelati relejski računalnik, ki ga je razvil v sodelovanju s svojim prijateljem, telekomunikacijskim inženirjem Helmutom Schreyerjem.
Vsestranskost telefonskih relejev, sklepi o matematični logiki, želja izstopajočih umov, da se znebijo dolgočasnega dela - vse to se je prepletlo in privedlo do pojma logične naprave novega tipa.
Zaslužna generacija
Plodovi odkritij in razvoj leta 1937 so morali zoreti nekaj let. Vojna je bila najmočnejše gnojilo, in z njenim prihodoma so se relejski računalniki začeli pojavljati povsod, kjer je obstajala potrebna tehnična strokovnost. Matematična logika je postala mreža za vejo elektrotehnike. Pojavile so se nove oblike programabilnih računalniških naprav - prvi osnutek sodobnih računalnikov.
Poleg strojev Štibica so se ZDA do leta 1944 pohvalile z napravami Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), rezultatom Aikenovega predloga. Dvojno ime je nastalo zaradi poslabšanja odnosov med akademskim okoljem in industrijo: vsi so si priglasili pravice do naprave. Mark I / ASCC je uporabljal nadzorne relejske sheme, vendar je bil glavni aritmetični modul zgrajen po arhitekturi mehanskih kalkulatorjev IBM. Naprava je bila ustvarjena za potrebe ameriškega mornariškega urada za gradnjo ladij. Njena naslednica Mark II je začela delovati leta 1948 na preizkusnem poligonu mornarice, in vse njene operacije so temeljile izključno na relejih — na 13 tisoč relejih.
Czuse je med vojno zgradil več relejskih računalnikov, vedno zahtevnejših. Kulminacija je bil V4, ki je, kot Bell Model V, vključeval naprave za klicanje podprogramov in izvajal pogojne prehode. Zaradi pomanjkanja materialov na Japonskem nobena od razvitih naprav Nakashime in njegovih rojakov ni bila uresničena, dokler se država ni obnovila po vojni. V petdesetih letih je ponovno oblikovano ministrstvo za zunanje trgovanje in industrijo financiralo razvoj dveh relejskih naprav, druga izmed njih pa je bila pošast s 20 tisoč releji. Podjetje Fujitsu, ki je sodelovalo pri ustvarjanju, je razvilo svoje lastne komercialne izdelke.
Danes so te naprave skoraj povsem pozabljene. V spominu ostaja le eno ime — ENIAC (ENIAC). Razlog za pozabo se ne nanaša na njihovo zapletenost, zmogljivosti ali hitrost. Računalne 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 bilo na voljo drugo podobno napravo — elektronski stikalo, ki je lahko delovalo sto krat hitreje od releja.
Pomembnost druge svetovne vojne v zgodovini računalniških strojev bi morala biti očitna. Najhujša vojna je postala pospešek za razvoj elektronskih naprav. Njeno začetno obdobje je osvobodilo vire, potrebne za premagovanje očitnih pomanjkljivosti elektronskih stikal. Prevladovanje elektromehanskih računalnikov ni trajalo dolgo. Tako kot titani, so jih premagala njihova lastna otroka. Kot reléji, je elektronska komutacija nastala zaradi potreb telekomunikacijske industrije. Da bi ugotovili, od kod izhaja, moramo zavrteti zgodovino nazaj do začetkov dobe radia.
Izvor: habr.com
