Historien om elektroniska datorer, del 1: prolog

Andra artiklar i serien:

• Relayets historia
  • Metoden för "snabb överföring av information", eller födelsen av reläet
  • Skrivmaskin
  • Galvanism
  • Entreprenörer
  • Och här är äntligen reläet
  • Talande telegraf
  • Bara koppla ihop
  • En bortglömd generation av relä datorer
  • Den elektroniska eran
• Elektroniska datorers historia
  • Prolog
  • Kolos
  • ENIAC
  • Den elektroniska revolutionen
• Transistorernas historia
  • Krypande i mörkret
  • Från krigets smältdegel
  • Mångfaldig återuppfinning
• Internets historia
  • Stamnät
  • Nedbrytning, del 1
  • Nedbrytning, del 2
  • Att öppna interaktiviteten
  • Att utvidga interaktiviteten
  • ARPANET – födelse
  • ARPANET – paket
  • ARPANET – delnät
  • Datorn som kommunikationsenhet
  • Internets historia: nätverksinteraktion

Som vi såg i den föregående artikeln., lyckades radio- och telefoningenjörer i sin strävan efter kraftigare förstärkare öppna ett nytt teknologiskt område som snabbt kom att kallas elektronik. Den elektroniska förstärkaren kunde lätt omvandlas till en digital switch som arbetade mycket snabbare än dess elektromekaniska släkting — telefonreläet. Tack vare avsaknaden av mekaniska delar kunde elektronröret slå på och av på en mikrosekund eller ännu snabbare, i stället för de tiotal millisekunder eller mer som krävdes av reläet.

Mellan 1939 och 1945 byggdes tre datorer baserat på dessa nya elektroniska komponenter. Datumen för deras konstruktion sammanföll inte av en slump med perioden för andra världskriget. Detta konflikt — utan motstycke i historien för hur den drog in människor i krigets ok — förändrade för alltid relationerna både mellan stater och mellan vetenskap och teknologi, och förde med sig ett stort antal nya enheter.

Historierna om de tre första elektroniska datorerna är sammanflätade med kriget. Den första var avsedd för att avkoda tyska meddelanden och hölls hemlig fram till 1970-talet, när den inte längre var av intresse utöver det historiska. Den andra, som de flesta läsare borde ha hört talas om, var ENIAC, en militär kalkylator som blev färdig för sent för att hjälpa till i kriget. Men här kommer vi att titta på den tidigaste av dessa tre maskiner, skapelsen av John Vincent Atanasoff.

Atanasoff

År 1930 nådde Atanasoff, född i Amerika av en emigrant från ottomanska Bulgarien, äntligen sin ungdomsdröm och blev teoretisk fysiker. Men, som med de flesta sådana strävanden, visade sig verkligheten vara mindre än han hade hoppats. Specifikt, som de flesta studenter i teknik och fysik under första halvan av 1900-talet, tvingades Atanasoff uthärda de plågsamma bördorna av konstant beräkning. Hans avhandling vid universitetet i Wisconsin om heliumpolarisation krävde åtta veckor av tråkiga beräkningar med hjälp av en mekanisk skrivbordskalkylator.

John Atanasoff som ung

År 1935, efter att ha blivit professor vid Iowa State University, beslutade Atanasov att göra något åt denna börda. Han började överväga möjliga sätt att bygga en ny, mer kraftfull dator. Han avvisade analoga metoder (som differentialanalysatorer från MIT) på grund av deras begränsningar och brist på noggrannhet, och beslutade sig för att bygga en digital maskin som arbetade med siffror som diskreta värden snarare än kontinuerliga mätningar. Han hade sedan ungdomen varit bekant med det binära talsystemet och insåg att det passade mycket bättre med strukturen av en digital strömbrytare i på/av-läge än de vanliga decimala siffrorna. Därför beslutade han sig för att skapa en binär maskin. Slutligen kom han fram till att för att den skulle vara så snabb och flexibel som möjligt, måste den vara elektronisk och använda elektroniska rör för beräkningar.

Atanasov behövde också bestämma sig för problemområdet – för vilka specifika beräkningar skulle hans dator vara användbar? Han kom fram till att han skulle fokusera på att lösa system av linjära ekvationer, reducera dem till en enda variabel (med hjälp av Gaussmetoden) – samma typ av beräkningar som dominerade hans avhandling. Han skulle stödja upp till trettio ekvationer och upp till trettio variabler i varje. En sådan dator skulle kunna lösa viktiga problem för forskare och ingenjörer, och skulle samtidigt inte vara oerhört komplex.

Konstverk

I mitten av 1930-talet hade elektronisk teknik nått en anmärkningsvärd variation jämfört med de tidiga år som föregick det med 25 år. Två innovationer passade särskilt bra för Atanasovs projekt: relätriggers och elektroniska räknare.

Sedan 1800-talet har ingenjörer inom telegrafi och telefoni haft tillgång till en praktisk enhet kallad omkopplare. En omkopplare är ett bistabilt relä som använder permanenta magneter för att hålla sig i det läge du lämnat det — öppet eller stängt — tills det får en elektrisk signal för att växla läge. Men elektronrör kunde inte göra detta. De hade inget mekaniskt komponent och kunde vara "öppna" eller "stängda" så länge elektriciteten flödade eller inte flödade genom kretsen. År 1918 kopplade två brittiska fysiker, William Eccles och Frank Jordan, ihop två lampor så att de skapade ett "triggerrelä" — ett elektroniskt relä som förblir stängt efter att ha släckts av en initial impuls. Eccles och Jordan skapade sitt system för telekommunikationsändamål för den brittiska marinen i slutet av första världskriget. Men Eccles-Jordan-kretsen, som senare blev känd som en flip-flop, kan också ses som en enhet för att lagra ett binärt värde — 1 om signalen överförs och 0 annars. På det här sättet kan n triggerreläer representera ett binärt tal med n bitar.

Cirka tio år efter triggerreläet kom det andra stora genombrottet inom elektronik som påverkade världen av beräkningar: elektroniska räknare. Och återigen, som så ofta inträffade i den tidiga beräkningshistorien, blev tristessen moder till uppfinningen. Fysiker som studerade strålning från subatomära partiklar var tvungna att antingen lyssna på klick eller spendera timmar med att studera fotografiska inspelningar för att räkna antalet upptäckter för att mäta hastigheten av strålning från partiklar genom olika material. Mekaniska eller elektromekaniska räknare erbjöd en frestande möjlighet att förenkla dessa åtgärder, men de arbetade för långsamt: de kunde inte registrera många händelser som inträffade med millisekunders mellanrum.

En nyckelfigur i lösningen på detta problem var Charles Eric Wynn-Williams, som arbetade under Ernest Rutherford vid Cavendish-laboratoriet i Cambridge. Wynn-Williams var skicklig med elektronik och hade redan använt rör (eller ventiler, som de kallades i Storbritannien) för att skapa förstärkare som gjorde det möjligt att höra händelser som inträffade med partiklar. I början av 1930-talet insåg han att ventiler kunde användas för att skapa en mätare som han kallade "tvåbitsräknare" — det vill säga en binär räknare. I princip var detta en uppsättning flip-flopar som kunde föra över omkopplingarna längre upp i kedjan (i praktiken använde han tyratrons, typer av rör som innehöll gas snarare än vakuum och som kunde förbli aktiva efter fullständig jonisering av gasen).

Wynn-Williams räknare blev snabbt en viktig labbutrustning för alla som arbetade med partikelfysik. Fysiker konstruerade mycket små räknare, ofta med tre siffror (det vill säga, kapabla att räkna upp till sju). Detta var tillräckligt för att skapa en buffert för en långsam mekanisk räknare och för att registrera händelser som inträffade snabbare än vad räknaren med långsamt rörliga mekaniska delar kunde registrera.

Men i teorin kunde sådana räknare utvidgas till tal av godtycklig storlek eller noggrannhet. Dessa var, strikt taget, de första digitala elektroniska räknemaskinerna.

Atanasoff-Berry datorn

Atanasoff var bekant med denna historia, vilket övertygade honom om möjligheten att bygga en elektronisk dator. Men han använde inte direkt binära räknare eller flip-flopar. Först försökte han använda något modifierade räknare som grunden för sitt räknesystem — vad är egentligen addition om inte upprepad räkning? Men av någon anledning kunde han inte göra räkningskretserna tillräckligt pålitliga, och han var tvungen att utveckla sina egna kretsar för addition och multiplikation. Han kunde inte använda flip-flopar för tillfällig lagring av binära tal, eftersom han hade en begränsad budget och en ambitiös målsättning om samtidigt lagring av trettio koefficienter. Som vi snart kommer att se fick denna situation allvarliga konsekvenser.

År 1939 avslutade Atanasoff designen av sin dator. Nu behövde han en person med rätt kunskaper för att bygga den. Han fann en sådan person i form av Clifford Berry, en utexaminerad från ingenjörsprogrammet vid Iowa State University. I slutet av året hade Atanasoff och Berry byggt en liten prototyp. Året därpå färdigställde de en fullständig version av datorn med trettio koefficienter. På 1960-talet kallade en författare som grävde fram deras historia den Atanasoff-Berry-datorn (Atanasoff-Berry Computer, ABC), och namnet har satt sig. Trots detta lyckades de inte eliminera alla brister. ABC hade till exempel ett fel på ungefär en binär siffra per 10 000, vilket skulle vara fatalt för varje stor beräkning.

Clifford Berry och ABC år 1942

Ändå kan man i Atanasoff och hans ABC hitta rötterna och källan till alla moderna datorer. Skapade han inte (med Berrys skickliga hjälp) den första binära elektroniska digitala datorn? Är detta inte de grundläggande egenskaperna hos miljarder enheter som formar och styr ekonomin, samhället och kulturen över hela världen?

Men låt oss gå tillbaka. Adjektiven digital och binär är inte exklusiva för ABC. Till exempel var Bell Complex Number Computer (CNC), som utvecklades ungefär samtidigt, en digital, binär, elektromechanisk dator som kunde utföra beräkningar inom det komplexa planet. Både ABC och CNC liknade varandra genom att de löste problem inom ett avgränsat område och, till skillnad från moderna datorer, inte kunde ta emot en godtycklig sekvens av instruktioner.

Kvar står "elektronisk". Men även om de matematiska inre delarna av ABC var elektroniska, arbetade den med elektromechaniska hastigheter. Eftersom Atanasoff och Berry av ekonomiska skäl inte kunde använda elektroniska rör för att lagra tusentals binära siffror, använde de elektromechaniska komponenter för detta. Flera hundra trioder, som utförde de grundläggande matematiska beräkningarna, var omgivna av roterande trummor och surrande perforeringsmaskiner där mellanvärdena för alla beräkningssteg lagrades.

Atanasov och Berry utförde ett heroisk arbete med att läsa in och skriva ut data på hålkort med enorm hastighet, genom att bränna dem med elektricitet istället för att mekaniskt göra hål. Men detta ledde till sina problem: just maskinen för bränning var ansvarig för 1 fel per 10 000 siffror. Dessutom, även med deras största ansträngningar kunde maskinen inte "slå igenom" snabbare än en rad per sekund, därför kunde ABC bara utföra en beräkning per sekund med varje av de trettio aritmetiska enheterna. Under resten av tiden satt de elektroniska lamporna sysslolösa, otåligt "trummande med fingrarna på bordet", medan hela denna maskineri plågsamt långsamt snurrade runt dem. Atanasov och Berry kopplade en gedigen häst till en lastvagn med hö. (Projektledaren för återskapandet av ABC på 1990-talet uppskattade den maximala hastigheten för maskinen, med hänsyn till all tidsåtgång, inklusive operatörens arbete med att ställa in uppgiften, till fem additioner eller subtraktioner per sekund. Detta, ärligt talat, är snabbare än en mänsklig beräknare, men inte den hastighet vi associerar med elektroniska datorer.)

ABC-schema. Trummorna lagrade temporär in- och utdata på kondensatorer. Thyratron-kretsen för kortslutning och kortläsaren registrerade och läste resultaten av ett helt steg av algoritmen (utan att en av variablerna från ekvationssystemet).

Arbetet med ABC stannade av i mitten av 1942, när Atanasov och Berry gick med i den snabbt växande amerikanska krigsmaskinen, där det krävdes inte bara kroppar utan även hjärnor. Atanasov blev kallad till Marinens artillerilaboratorium i Washington för att leda ett team som utvecklade akustiska minor. Berry gifte sig med Atanasovs sekreterare och tog ett jobb i ett kontraktsföretag som arbetade för militären i Kalifornien, för att undvika att bli inkallad till kriget. Atanasov försökte under en tid att patentera sin skapelse i delstaten Iowa, men utan framgång. Efter kriget sysslade han med andra saker och ägnade sig inte längre seriöst åt datorer. Själva datorn skickades till skroten 1948 för att frigöra plats i kontoret för en nyutexaminerad från institutet.

Det är möjligt att Atanasov helt enkelt började arbeta för tidigt. Han baserade sig på blygsamma universitetsbidrag och kunde endast spendera några tusen dollar på att skapa ABC, så besparingar fick överordnad betydelse för hans projekt. Om han hade väntat till början av 1940-talet, skulle han kunna ha fått statligt stöd för en fullständig elektronisk enhet. Och i det tillståndet - med begränsad användning, komplicerad hantering, opålitlig och inte särskilt snabb - blev ABC inget lovande exempel på nyttan av elektronisk databehandling. Den amerikanska militärmaskinen, trots den stora efterfrågan på datorkapacitet, lämnade ABC att rosta i Ames, Iowa.

Krigets datorer

Första världskriget skapade och initierade en massiv injektion av investeringar i vetenskap och teknik och förberedde dem för andra världskriget. På bara några år gick krigföring på land och till sjöss över till användningen av giftiga gaser, magnetminor, luftspaning och bombning, och så vidare. Ingen politisk eller militär ledare kunde ignorera dessa snabba förändringar. De var så snabba att tidigt påbörjade forskningsinsatser kunde väga över till den ena eller andra sidan.

I USA fanns det tillräckligt med resurser och intellekt (många av dem hade flytt från det nazistiska Tyskland), och de var inte direkt involverade i överlevnads- och dominansstrider som påverkade andra länder. Det gjorde det möjligt för landet att lära sig denna läxa på ett särskilt tydligt sätt. Detta visade sig i att omfattande industriella och intellektuella resurser mobiliserades för att skapa det första atomvapnet. En mindre känd men inte mindre viktig investering var satsningen på att utveckla radarteknologi, vars centrum låg vid MIT i Rad Lab.

Så fick det framväxande området för automatiska beräkningar en del militär finansiering, om än i mycket mindre skala. Vi har redan noterat mångfalden av elektromeekaniska beräkningsprojekt som kriget födde. Potentialen hos reläbaserade datorer var, jämförelsevis, känd, eftersom telefonstationer med tusentals reläer hade fungerat i många år vid den tiden. Elektroniska komponenter hade ännu inte bevisat sin funktionalitet på sådana storskaliga nivåer. Större delen av experterna ansåg att elektroniska datorer oundvikligen skulle bli opålitliga (ABC var ett exempel), eller att det skulle ta för lång tid att bygga dem. Trots det plötsliga inflödet av statliga medel var det få militärprojekt för elektroniska beräkningar, och de var sällsynta. Endast tre projekt startades, varav endast två ledde till fungerande maskiner.

I Tyskland bevisade telekommunikationsingenjören Helmut Schreyer för sin vän Konrad Zuse värdet av den elektroniska maskinen jämfört med den elektromeekaniska "V3" som Zuse byggde för luftfartsindustrin (som senare blev känd som Z3). Zuse gick till slut med på att arbeta på det andra projektet tillsammans med Schreyer, och Flygforskningsinstitutet erbjöd att finansiera en prototyp med 100 rör i slutet av 1941. Men de två männen ägnade sig först åt mer prioriterat militärt arbete, och deras arbete fördröjdes kraftigt av skador orsakade av bombningar, så de lyckades aldrig få sin maskin att fungera på ett tillförlitligt sätt.

Zuse (till höger) och Schreyer (till vänster) arbetar med den elektromeekaniska datorn i Zuses föräldrars lägenhet i Berlin.

Den första elektroniska datorn som utförde användbart arbete skapades i ett hemligt laboratorium i Storbritannien, där en telekommunikationsingenjör föreslog en ny radikal metod för kryptanalys baserad på ventiler. Denna historia kommer vi att avslöja nästa gång.

Vad mer att läsa:

• Alice R. Burks och Arthur W. Burks, Den första elektroniska datorn: The Atansoff Story (1988)
• David Ritchie, Datorpionjärerna (1986)
• Jane Smiley, Människan som uppfann datorn (2010)

Källa: habr.com