Інші статті циклу:
- Історія реле
- Історія електронних комп'ютерів
- Історія транзистора
- Історія Інтернету
Як ми побачили у , радіо та телефонні інженери у пошуках потужніших підсилювачів відкрили нову технологічну область, яку швидко охрестили електронікою. Електронний підсилювач можна було легко перетворити на цифровий перемикач, який працює зі значно більшою швидкістю, ніж його електромеханічний родич — телефонне реле. Завдяки відсутності механічних частин електронна лампа могла вмикатися і вимикатися за мікросекунду або ще швидше, а не за десяток мілісекунд або більше, що були потрібні реле.
З 1939 по 1945 роки на базі цих нових електронних компонентів було створено три комп'ютери. Дати їхнього будівництва не випадково збігаються з періодом Другої Світової війни. Цей конфлікт, який не мав аналогів в історії по тому, як він упрягав людей у ярмо колісниці війни, назавжди змінив взаємини як між державами, так і між наукою та технологією, а також приніс у світ велику кількість нових пристроїв.
Історії трьох перших електронних комп'ютерів переплетені з війною. Перший був присвячений розшифровці німецьких повідомлень, і залишався під покровом секретності аж до 1970-х, коли він не представляв уже жодного інтересу, окрім історичного. Другим, про який більшість читачів мали чути, був ENIAC, військовий калькулятор, який добудували надто пізно для того, щоб він допоміг у війні. Але тут ми розглянемо найранішу з трьох цих машин, дітище .
Атанасов
1930-го Атанасов, який народився в Америці син емігранта з , досяг, нарешті, своєї юнацької мрії і став теоретичним фізиком. Але, як і з більшістю подібних прагнень, реальність виявилася не такою, на яку він розраховував. Зокрема, як більшість студентів інженерних і фізичних наук першої половини XX століття, Атанасову доводилося страждати від болісних тягарів постійних обчислень. Його дисертація у Вісконсинському університеті з поляризації гелію вимагала восьми тижнів нудних обчислень за допомогою механічного настільного калькулятора.
Джон Атанасов у юності
До 1935 року, вже влаштувавшись на посаді професора в Університеті штату Айова, Атанасов вирішив щось зробити з цим тягарем. Він почав прикидати можливі шляхи будівництва нової, потужнішої обчислювальної машини. Відкинувши аналогові методи (такі, як диференціальний аналізатор MIT) з причин обмеженості та неточності, він вирішив побудувати цифрову машину, що працювала з числами як дискретними значеннями, а не як безперервними вимірюваннями. Він з юності був знайомий з двійковою системою числення і розумів, що вона краще лягає на структуру виду вкл/выкл цифрового перемикача, ніж звичні десяткові числа. Тому він вирішив робити двійкову машину. І, нарешті, він вирішив, що щоб вона була найбільш швидкою та гнучкою, вона повинна бути електронною, і використовувати електронні лампи для обчислень.
Атанасову необхідно було визначитися і з простір завдань — для яких саме підрахунків мав підійти його комп'ютер? У результаті він вирішив, що він займатиметься рішенням систем лінійних рівнянь, низводячи їх до єдиної змінної (за допомогою ) — таких же обчислень, що переважали у його дисертації. Він підтримуватиме до тридцяти рівнянь, до тридцяти змінних у кожному. Такий комп'ютер міг би вирішувати важливі для вчених та інженерів завдання, і при цьому начебто не був неймовірно складним.
Витвір мистецтва
До середини 1930-х електронна технологія досягла надзвичайної різноманітності порівняно з витоками, що з'явилися за 25 років до цього. Дві розробки особливо добре підходили до проекту Атанасова: реле-тригер та електронний лічильник.
З XIX століття інженери телеграфу та телефону мали у своєму розпорядженні зручний пристрій під назвою перемикач. Перемикач - це бістабільне реле, що використовує постійні магніти для утримання його в тому стані, в якому ви залишили його - відкритому або закритому - до тих пір, поки воно не отримає електричний сигнал на перемикання станів. Але електронні лампи не були здатні на це. У них не було механічного компонента, і вони могли бути «відкриті» або «закриті», поки електрика текла або не текла по контуру. У 1918 році два британські фізики, Вільям Еклз і Френк Джордан зв'язали проводами дві лампи так, що вийшло «реле-тригер» - електронне реле, що постійно залишається включеним після включення від початкового імпульсу. Еклз та Джордан створили свою систему для телекомунікаційних цілей для Британського адміралтейства наприкінці Першої Світової війни. Але контур Еклза-Джордана, який пізніше став відомим, як тригер [англ. flip-flop] можна було розглядати як пристрій для зберігання двійкової цифри — 1, якщо сигнал передається, і 0 в іншому випадку. У такий спосіб через n тригерів можна було уявити двійкове число n розрядів.
Років за десять після тригера стався другий серйозний прорив в електроніці, що зіткнувся зі світом обчислень: електронні лічильники. І знову, як це часто траплялося в ранній історії обчислень, нудьга стала матір'ю винаходу. Фізикам, які вивчали випромінювання субатомних частинок, доводилося слухати клацання, або годинами вивчати фотографічні записи, підраховуючи кількість виявлень для вимірювання швидкості випромінювання частинок різними речовинами. Механічні або електромеханічні лічильники являли спокусливу можливість полегшити ці дії, але вони рухалися надто повільно: вони не могли зареєструвати безліч подій, що відбувалися з різницею в мілісекунди.
Ключовою фігурою у вирішенні цієї проблеми став працював під керівництвом Ернеста Резерфорда в Лабораторії Кавендіша в Кембриджі. Вінн-Вільямс спритно поводився з електронікою, і вже використовував лампи (або клапани, як їх називали в Британії) для створення підсилювачів, завдяки яким можна було чути події, що відбуваються з частинками. На початку 1930-х він зрозумів, що клапани можна використовувати для створення лічильника, який він назвав «лічильником двійкової шкали», тобто двійкового лічильника. По суті, це був набір тригерів, які могли передавати перемикання вгору ланцюжком (на практиці він використовував , типи ламп, що містять вакуум, а газ, які могли залишатися у включеному положенні після повної іонізації газу).
Лічильник Вінна-Вільямса швидко увійшов до набору необхідних лабораторних пристроїв для всіх, хто займався фізикою частинок. Фізики будували дуже маленькі лічильники, які часто містили по три знаки (тобто здатні рахувати до семи). для повільного механічного лічильника, і для запису подій, що відбуваються швидше, ніж їх міг зареєструвати лічильник з механічними частинами, що повільно рухаються.
Але теоретично такі лічильники можна було розширити до чисел довільного розміру чи точності. Це були, строго кажучи, перші цифрові електронні лічильники.
Комп'ютер Атанасова-Беррі
Атанасов був знайомий з цією історією, що й переконало його у можливості побудови електронного комп'ютера. Але він не став безпосередньо використовувати двійкові лічильники чи тригери. Спочатку для основи лічильної системи він спробував використовувати трохи змінені лічильники - адже що таке додавання, як не підрахунок, що не повторюється? Але з якихось причин він не зміг зробити лічильні контури досить надійними, і йому довелося розробити свої схеми складання та множення. Він не міг використовувати тригери для тимчасового зберігання двійкових чисел, оскільки у нього був обмежений бюджет, і була поставлена амбітна мета щодо одночасного зберігання тридцяти коефіцієнтів. Як скоро побачимо, ця ситуація мала серйозні наслідки.
До 1939 Атанасов закінчив проектувати свій комп'ютер. Тепер йому була потрібна людина з відповідними знаннями для її будівництва. Він знайшов таку людину в особі випускника інженерного департаменту Інституту штату Айова на ім'я Кліффорд Беррі. До кінця року Атанасов та Беррі збудували невеликий прототип. Наступного року вони закінчили повну версію комп'ютера на 1960 коефіцієнтів. У 10000-х письменник, котрий розкопав їхню історію, назвав його комп'ютером Атанасова-Беррі (Atanasoff-Berry Computer, ABC), і ім'я прижилося. Проте всіх недоліків усунути не вдалося. Зокрема, ABC давав помилку приблизно в одній двійковій цифрі на XNUMX, що для будь-якого великого обчислення було б фатальним.
Кліффорд Беррі та ABC 1942-го
Тим не менш, в Атанасові та його ABC можна знайти коріння та джерело всіх сучасних комп'ютерів. Хіба він не створив (за вмілої допомоги Беррі) перший двійковий електронний цифровий комп'ютер? Хіба це не основні характеристики мільярдів пристроїв, які формують та управляють економікою, суспільством та культурою по всьому світу?
Але повернемось назад. Прикметники цифровий та двійковий не є прерогативою ABC. Наприклад, обчислювач комплексних чисел Белла (Bell Complex Number Computer, CNC), розроблений приблизно водночас, був цифровим, двійковим, електромеханічним комп'ютером, здатним вести обчислення комплексної площині. Також ABC і CNC були схожі на тому, що вирішували завдання в обмеженій області, і не могли, на відміну від сучасних комп'ютерів, приймати довільну послідовність інструкцій.
Залишається "електронний". Але, хоча математичні начинки ABC були електронними, працював він на електромеханічних швидкостях. Оскільки Атанасов і Беррі з фінансових міркувань не могли використовувати електронні лампи для зберігання тисяч двійкових цифр, вони використовували електромеханічні компоненти. Кілька сотень тріодів, які виконували основні математичні розрахунки, були оточені барабанами, що обертаються, і дзижчать перфоруючими машинами, де зберігалися проміжні значення всіх обчислювальних кроків.
Атанасов і Беррі здійснили героїчну роботу з того, щоб зчитувати і записувати дані на перфокарти з величезною швидкістю, пропалюючи їх електрикою замість того, щоб робити в них отвори механічно. Але це призвело до своїх проблем: саме апарат для пропалювання відповідав за 1 помилку на 10000 чисел. Більше того, навіть при найбільших зусиллях машина не могла «пробивати» швидше одного рядка в секунду, тому ABC міг проводити лише одне обчислення в секунду кожним із тридцяти арифметичних пристроїв. Час, що залишився, електронні лампи сиділи без діла, в нетерпінні «барабаня пальцями по столу», поки вся ця машинерія болісно повільно оберталася навколо них. Атанасов і Беррі пристебнули породистого скакуна до воза з сіном. (Керівник проекту з відтворення ABC у 1990-х роках оцінював максимальну швидкість машини, з урахуванням усіх витрат часу, включаючи роботу оператора за завданням, у п'ять додавань або віднімань за секунду. Це, звичайно, швидше за людину-обчислювача, але не та швидкість , яку ми пов'язуємо з електронними комп'ютерами.)
Схема ABC. Барабани зберігали тимчасове введення та виведення на конденсаторах. Тиратронова схема пробивання карток і зчитувач карт записували та зчитували результати цілого кроку роботи алгоритму (усуваючи одну із змінних із системи рівнянь).
Роботи над ABC зупинилися в середині 1942 року, коли Атанасов і Беррі записалися в військову машину США, що швидко зростала, де були потрібні не тільки тіла, а й мізки. Атанасова закликали до Морської артилерійської лабораторії у Вашингтоні, щоб він керував командою, яка розробляла акустичні міни. Беррі одружився з секретаркою Атанасова і знайшов собі роботу у компанії, що працювала на військових за контрактом у Каліфорнії, щоб його не призвали на війну. Атанасов якийсь час намагався запатентувати свій витвір у штаті Айова, але безуспішно. Після війни він зайнявся іншими речами, і вже не займався комп'ютерами всерйоз. Сам комп'ютер відправили на звалище в 1948 році, щоб звільнити в офісі місце для нового випускника інституту.
Можливо, Атанасов просто почав працювати надто рано. Він ґрунтувався на скромних університетських грантах, і міг витратити лише кілька тисяч доларів на створення ABC, тому економність витіснила всі інші проблеми у його проекті. Якби він зачекав до початку 1940-х, то міг би отримати урядовий грант на повноцінний електронний пристрій. І в такому стані - з обмеженим застосуванням, зі складним управлінням, ненадійний, не дуже швидкий - ABC не став перспективною рекламою користі електронних обчислень. Американська військова машина, незважаючи на весь обчислювальний голод, кинула ABC іржавіти в містечку Еймс штату Айова.
Обчислювальні машини війни
Перша Світова війна створила і запустила систему потужного накачування інвестицій у науку і технологію, і підготувала її до Другої Світової. Всього за кілька років практика ведення війни на землі та на морі перейшла до використання отруйних газів, магнітних мін, повітряної розвідки та бомбардування та ін. Жоден політичний та військовий лідер не міг не помітити таких швидких перетворень. Вони були настільки швидкими, що досить рано розпочаті дослідження могли схилити шальки терезів у той чи інший бік.
У США вистачало матеріалів і умів (багато з яких тікали з гітлерівської Німеччини), і вони перебували осторонь безпосередніх боїв за виживання та домінування, які торкнулися інших країн. Це дозволило країні вивчити цей урок особливо чітко. Це виявилося в тому, що великі індустріальні та інтелектуальні ресурси були кинуті створення першої атомної зброї. Менш відомою, але не менш важливою або меншою за обсягом інвестицією стало вкладення створення радарної технології, центр якої знаходився в MIT в Rad Lab.
Так і область автоматичних обчислень, що зароджується, отримала свою частку військового фінансування, нехай і в набагато менших масштабах. Ми вже наголошували на різноманітності електромеханічних обчислювальних проектів, породжених війною. Потенціал комп'ютерів на базі реле був відносно відомий, оскільки телефонні станції з тисячами реле на той час працювали вже багато років. Електронні компоненти ще довели своєї працездатності таких масштабах. Більшість експертів вважала, що електронний комп'ютер неминуче буде ненадійним (ABC служив прикладом), або його будівництво забере надто багато часу. Незважаючи на раптовий приплив державних грошей, військових проектів з електронних обчислень було мало і вони були рідкісні. Запущено було лише три, і лише два з них призвели до появи працездатних машин.
У Німеччині інженер з телекомунікацій Гельмут Шрейер довів своєму другові Конраду Цузе цінність електронної машини перед електромеханічним «V3», який Цузе будував для повітряної індустрії (згодом він став відомим як Z3). Цузе зрештою погодився працювати над другим проектом разом із Шрейером, і Дослідницький інститут авіації запропонував фінансувати прототип на 100 ламп наприкінці 1941 року. Але двоє чоловіків спочатку зайнялися пріоритетнішою військовою роботою, а потім їхню роботу сильно сповільнили пошкодження, спричинені бомбардуваннями, в результаті вони так і не змогли змусити свою машину надійно працювати.
Цузе (праворуч) та Шрейєр (ліворуч) працюють над електромеханічним комп'ютером у берлінській квартирі батьків Цузе
А перший електронний комп'ютер, який виконував корисну роботу, було створено у секретній лабораторії у Британії, де інженер з телекомунікацій запропонував новий радикальний підхід до криптоаналізу на основі клапанів. Цю історію ми розкриємо наступного разу.
Що ще почитати:
• Alice R. Burks та Arthur W. Burks, The First Electronic Computer: The Atansoff Story (1988)
• David Ritchie, The Computer Pioneers (1986)
• Jane Smiley, The Who Invented the Computer (2010)
Джерело: habr.com