В нашої описувався розквіт автоматичних телефонних комутаторів, якими управляли з допомогою релейних схем. Цього разу ми хочемо розповісти про те, як вчені та інженери розробляли релейні схеми у першому — тепер уже забутому — поколінні цифрових комп'ютерів.
Реле в зеніті
Якщо пам'ятаєте, робота реле ґрунтується на простому принципі: електромагніт оперує металевим перемикачем. Ідею реле у 1830-х незалежно один від одного запропонували кілька натуралістів та підприємців у сфері телеграфного бізнесу. Потім у середині XIX століття винахідники та механіки перетворили реле на надійний та незамінний компонент телеграфних мереж. Саме в цій сфері життя реле досягло зеніту: його зменшили, а покоління інженерів створили безліч конструкцій, формально навчаючись математики та фізики.
На початку ХХ століття як автоматичні комутаційні системи, а й практично все устаткування телефонних мереж містило у собі ті чи інші види реле. Одне з найбільш ранніх застосувань телефонного зв'язку відноситься до 1870-х, в ручних комутаторах. Коли абонент крутив ручку телефону (рукоятку магнето), на телефонну станцію надходив сигнал, що включає бленкер. Бленкер - це реле, при спрацьовуванні якого на комутаційному столі у телефонного оператора падала металева заслінка, що говорило про надходження вхідного виклику. Тоді панночка-оператор вставляла штекер у роз'єм, реле скидалося, після чого можна було знову підняти заслінку, яку у такому положенні утримував електромагніт.
До 1924-го, як писали два інженери компанії Bell, типова ручна телефонна станція обслуговувала близько 10 тисяч абонентів. У її обладнанні містилося 40—65 тисяч реле, сумарна магнітна сила якої була «достатня для підняття 10 тонн». У великих телефонних станціях з машинними комутаторами ці показники множилися на два. У всій телефонній системі США використовувалися багато мільйонів реле, і їхня кількість постійно збільшувалася в міру автоматизації телефонних станцій. Одне телефонне з'єднання могли обслуговувати від одиниць до кількох сотень реле — залежно від кількості та оснащеності залучених телефонних станцій.
Фабрики компанії Western Electric, виробничої структури корпорації Bell, випускали величезний асортимент реле. Інженери створили стільки модифікацій, що цій різноманітності позаздрили б найдосвідченіші собаківники або голубники. Швидкість роботи та чутливість реле оптимізувалися, розміри зменшувалися. 1921-го Western Electric виробила майже 5 мільйонів реле ста основних типів. Наймасовішим було універсальне реле Type E, плоский, практично прямокутний пристрій, що важив кілька десятків грамів. Здебільшого воно виготовлялося із штампованих металевих частин, тобто було технологічним у виробництві. Корпус захищав контакти від пилу та наведених струмів від сусідніх пристроїв: зазвичай реле монтувалися впритул один до одного, у стійки з сотнями та тисячами реле. Усього було розроблено 3 тисячі варіантів Type E, кожен з яких відрізнявся конфігураціями намотування та контактів.
Незабаром ці реле почали використовувати у найскладніших комутаторах.
Координатний комутатор
1910 року у Готтхільфа Бетуландера (Gotthilf Betulander), інженера Royal Telegrafverket — державної корпорації, яка контролювала більшу частину шведського телефонного ринку (протягом десятиліть — майже весь), виникла ідея. Він вірив, що може дуже покращити ефективність операцій Telegrafverket за рахунок будівництва автоматичних комутаційних систем, повністю заснованих на реле. Точніше, на релейних матрицях: ґратах із сталевих лозин, підключених до телефонних ліній, з реле в місцях перетину лозин. Такий комутатор повинен працювати швидше, надійніше і бути простіше в обслуговуванні в порівнянні з системами на основі контактів, що ковзають або обертаються.
Більше того, Бетуландер вигадав, що можна виділити частини системи, що відповідають за вибір та з'єднання, у незалежні релейні схеми. А частина системи, що залишилася, повинна використовуватися тільки для установки мовного каналу, а потім звільнятися для обслуговування іншого виклику. Тобто Бетуландер дійшов ідеї, яку пізніше назвали «загальне управління» (common control).
Схему, що зберігає номер вхідного дзвінка, він назвав «рекордер» (інший термін – регістр). А схему, яка знаходить у ґратах та «позначає» доступне підключення, назвав «маркер». Автор запатентував свою систему. Декілька таких станцій з'явилося в Стокгольмі та Лондоні. А 1918-го Бетуландер дізнався про американське нововведення: координатний комутатор, створений інженером Bell Джоном Рейнольдсом п'ять років тому. Цей комутатор дуже скидався на розробку Бетуландера, але в ньому використовувалося n+m реле для обслуговування n+m вузлів матриці, що було набагато зручніше для подальшого розширення телефонних станцій. При установці з'єднання утримуюча рейка затискала «пальці» з рояльних струн, а рейка, що вибирала, переміщалася по матриці для з'єднання з іншим викликом. Наступного року Бетуландер впровадив цю ідею у конструкцію свого комутатора.
Але більшість інженерів вважали творіння Бетуландера дивним і надмірно складним. Коли настав час вибирати комутаційну систему для автоматизації мереж найбільших шведських міст, Telegrafverket надала перевагу конструкції, розробленій у компанії Ericsson. Комутатори Бетуландера використовувалися тільки в невеликих телефонних станціях у сільській місцевості: реле були надійнішими за моторизовану автоматику комутаторів Ericsson і не вимагали обслуговуючих техніків на кожній станції.
Однак американські телефонні інженери мали іншу думку щодо цього. 1930-го фахівці Bell Labs приїхали до Швеції і були «дуже вражені параметрами координатного комутаційного модуля». Повернувшись, американці негайно почали працювати над тим, що потім стало відомо як «координатна система № 1», яка замінила панельні комутатори у великих містах. До 1938-го дві такі системи були встановлені в Нью-Йорку. Незабаром вони перетворилися на стандартне обладнання для міських телефонних станцій, поки понад 30 років їм на зміну не прийшли електронні комутатори.
Найцікавішим компонентом координатного комутатора № 1 став новий, складніший маркер, розроблений Bell. Він призначався для пошуку вільного маршруту від викликаного до викликаного через кілька координатних модулів, що з'єднуються один з одним, завдяки чому створювалося телефонне підключення. Також маркер повинен був тестувати кожну сполуку на стан «вільно»/«зайнято». Це потребувало застосування умовної логіки. Як написав історик Роберт Чапіус (Robert Chapuis):
Вибір умовний, тому що вільне з'єднання утримується тільки в тому випадку, якщо воно забезпечує доступ до координатної рейки, яка має вільне з'єднання з наступним рівнем. Якщо кілька наборів з'єднань задовольняють потрібним умовам, то «пріоритетна логіка» (preferential logic) вибирає одну з [існуючих] нечисленних з'єднань.
Координатний комутатор – чудовий приклад взаємного збагачення технологічних ідей. Бетуландер створив свій повністю релейний комутатор, потім покращив його комутуючою матрицею Рейнольдса і довів працездатність конструкції, що вийшла. Інженери AT&T пізніше переробили цей гібридний комутатор, покращили його та створили координатну систему № 1. Потім ця система стала компонентом двох ранніх обчислювальних машин, одна з яких нині відома як віха в історії обчислювальної техніки.
Математичні обчислення (Mathematical labor)
Щоб зрозуміти, як і чому реле та їхні електронні кузини допомогли здійснити революцію у обчислювальній техніці, нам знадобиться короткий екскурс у світ математичних обчислень. Після нього стане зрозуміло, чому виник прихований попит на оптимізацію обчислювальних процесів.
На початку XX століття вся система сучасної науки та інженерії базувалася на праці тисяч людей, які виконували математичні розрахунки. Вони називалися комп'ютерами (Computers) [Щоб не виникало плутанини, далі за текстом використовуватиметься термін обчислювачі. - Пряміть. пров.]. Ще у 1820-х Чарльз Беббідж створив (хоча у його апарату були ідейні попередники). Її головним завданням була автоматизація побудови математичних таблиць, наприклад для навігації (обчислення тригонометричних функцій поліномінальних апроксимацій при 0 градусів, 0,01 градуса, 0,02 градуси і т. д.). Також великий попит на математичні обчислення був в астрономії: потрібно обробляти сирі результати телескопних спостережень у фіксованих областях небесної сфери (а залежно від часу та дати спостережень) або визначати орбіти нових об'єктів (наприклад, комети Галлея).
З часів Беббіджа потреба в обчислювальних машинах зросла багаторазово. Електроенергетичним компаніям потрібно було зрозуміти поведінку магістральних систем енергопередач з вкрай складними динамічними властивостями. Гармати з безсемерівської сталі, здатні закидати снаряди за обрій (отже, завдяки безпосередньому спостереженню мети вони не наводилися), вимагали дедалі точніших балістичних таблиць. Нові статистичні інструменти, що мали на увазі великий обсяг математичних обчислень (наприклад, метод найменших квадратів), все ширше використовувалися як у науці, так і в державному апараті, що зростає. В університетах, урядових установах та промислових корпораціях з'являлися обчислювальні відділи, до яких зазвичай набирали жінок.
Механічні калькулятори лише полегшили завдання обчислень, а чи не вирішили її. Калькулятори прискорили арифметичні операції, але будь-які складні наукові чи інженерні завдання вимагали сотень чи тисяч операцій, кожну з яких обчислювач (людина) мав виконати вручну, старанно записуючи всі проміжні результати.
Появі нових підходів до проблеми математичних обчислень сприяло кілька факторів. Молоді вчені та інженери, які болісно обраховували ночами свої завдання, хотіли дати відпочинок рукам і очам. Керівники проектів змушені були викладати дедалі більше грошей на зарплати численним обчислювачам, особливо після Першої світової. Нарешті, багато передових наукових та інженерних завдань насилу піддавалися ручному обчисленню. Всі ці фактори призвели до створення серій обчислювальних машин, робота над якими велася під керівництвом Венівара Буша (Vannevar Bush) – інженера-електротехніка з Массачусетського технологічного інституту (MIT).
Диференціальний аналізатор
До цього моменту історія часто була знеособлена, але тепер ми більше говоритимемо про конкретних людей. Слава обійшла стороною творців панельного комутатора, реле Type E та схеми координатного маркера. Про них не збереглося навіть біографічних анекдотів. Єдиними загальнодоступними свідченнями їхнього життя є викопні останки створених ними машин.
Тепер ми можемо отримати більш глибоке уявлення про людей та їхнє минуле. Але ми більше не зустрінемо тих, хто наполегливо працював на горищах і в майстернях у себе вдома — Морзе та Вейла, Белла та Вотсона. До кінця Першої світової епоха героїчних винахідників майже завершилася. Томаса Едісона можна вважати перехідною фігурою: на початку кар'єри він був найманим винахідником, а до кінця став власником «фабрики винаходів». На той час розробка найпомітніших нових технологій стала вотчиною організацій – університетів, дослідницьких підрозділів корпорацій, урядових лабораторій. Люди, про які ми говоритимемо в цьому розділі, якраз і належали до таких організацій.
Наприклад, Венівар Буш. Він прибув до MIT 1919-го, коли йому було 29 років. Через трохи більше 20 років він увійшов до людей, які вплинули на участь США у Другій світовій, і допоміг збільшити державне фінансування, що назавжди змінило взаємини між урядом, академічним середовищем та розвитком науки та технологій. Але в рамках статті нас цікавить серія машин, які розроблялися в лабораторії Буша із середини 1920-х і призначалися для вирішення проблеми математичних обчислень.
MIT, який нещодавно переїхав із центрального Бостона на набережну річки Чарльза в Кембриджі, був тісно пов'язаний із потребами промисловості. Сам Буш на додаток до професорської діяльності мав фінансові інтереси в кількох підприємствах у сфері електроніки. Отже, вас не повинен дивувати той факт, що проблема, яка привела Буша та його студентів до роботи над новим обчислювальним пристроєм, виникла в енергетичній промисловості: знадобилося змоделювати поведінку магістральних ЛЕП в умовах пікових навантажень. Очевидно, що це було лише одне із багатьох можливих застосувань обчислювальних машин: стомлюючі математичні розрахунки велися повсюдно.
Буш та його колеги спочатку збудували дві машини, які були названі продукційними інтеграфами (product integraphs). Але найвідомішою та вдалою машиною MIT стала інша. диференціальний аналізатор, завершений 1931-го. Він вирішував проблеми з передачею електроенергії, обчислював орбіти електронів, траєкторії космічного випромінювання в магнітному полі Землі та багато іншого. Дослідники по всьому світу, яким були потрібні обчислювальні потужності, у 1930-х створили десятки копій та варіантів диференціального аналізатора. Деякі — навіть із Meccano (англійського аналога американських дитячих конструкторів марки ).
Диференціальний аналізатор – це аналоговий комп'ютер. Математичні функції обчислювалися за допомогою металевих стрижнів, що обертаються, швидкість обертання кожного з яких відображала якесь кількісне значення. Двигун приводив у дію незалежний стрижень — змінну (зазвичай він був час), той, своєю чергою, з допомогою механічних сполук обертав інші стрижні (різні диференціальні змінні), і підставі вхідний швидкості обертання обчислювалася функція. Результати обчислень малювались на папері як кривих. Найважливішими компонентами були інтегратори - колеса, що оберталися дисками. Інтегратори могли обчислювати інтеграл кривої без ручних розрахунків.
Диференціальний аналізатор. Інтегральний модуль – з піднятою кришкою, з боку вікна розташовані столи з результатами обчислень, а посередині – комплекс обчислювальних стрижнів.
Жоден з компонентів аналізатора не містив дискретних перемикаючих реле або цифрових перемикачів. То навіщо ми розповідаємо про цей пристрій? Відповідь дає четверта машина сімейства.
На початку 1930-х Буш почав залицятися до Фонду Рокфеллера, щоб отримати фінансування для подальшого розвитку аналізатора. Уоррена Уівера (Warren Weaver), голову відділу з природничих наук фонду, спочатку переконати не вдалося. Інженерія не входила до його компетенції. Проте Буш розрекламував безмежний потенціал своєї нової машини щодо наукових застосувань — особливо у математичній біології, улюбленому проекті Уівера. Також Буш обіцяв численні покращення аналізатора, зокрема «можливість швидко перемикати аналізатор з однієї проблеми на іншу, як телефонний комутатор». 1936-го його зусилля були винагороджені грантом у 85 тисяч доларів, виділеним на створення нового пристрою, який пізніше назвали диференціальним аналізатором Рокфеллера.
Як практичний обчислювач цей аналізатор не був видатним проривом. Буш, який став віце-президентом MIT та деканом інженерного факультету, не міг приділити багато часу керівництву розробкою. Фактично невдовзі він самоусунувся, обійнявши обов'язки голови Інституту Карнегі у Вашингтоні. Буш відчував наближення війни, і він мав кілька наукових і виробничих ідей, які могли послужити потребам збройних сил. Тобто він хотів бути ближче до центру сил, де міг би ефективніше впливати на вирішення тих чи інших питань.
У той же час технічні проблеми, які диктуються новою конструкцією, вирішували співробітники лабораторії, і незабаром їх почали відволікати для роботи над військовими завданнями. Рокфеллерівська машина була завершена лише 1942-го. Військові визнали її корисною для потокового виробництва балістичних таблиць для артилерії. Але незабаром цей пристрій затьмарили чисто цифрові комп'ютери - які представляли числа не як фізичні величини, а абстрактно, за допомогою позицій перемикачів. Так вийшло, що у самому аналізаторі Рокфеллера використовувалося чимало подібних перемикачів, які з релейних схем.
Шеннон
1936-го Клоду Шеннону було лише 20 років, але він уже закінчив Мічиганський університет зі ступенем бакалавра з двох спеціальностей: електротехніки та математики. У MIT його навів рекламний листок, пришпилений до дошки оголошень. Венівар Буш шукав нового помічника для роботи над диференціальним аналізатором. Шеннон без вагань подав заявку і незабаром почав працювати над свіжими проблемами, і тільки після цього новий пристрій став набувати форми.
Шеннон зовсім не був схожий на Буша. Він був ні бізнесменом, ні будівельником академічної імперії, ні адміністратором. Все життя він любив ігри, головоломки та розваги: шахи, жонглювання, лабіринти, криптограми. Як і багато чоловіків його епохи, під час війни Шеннон присвятив себе серйозній справі: обіймав у Bell Labs посаду за урядовим контрактом, що захистило його тендітне тіло від військового призову. Його дослідження з управління стріляниною та криптографією в той період привели, у свою чергу, до появи основної роботи з теорії інформації (ми не будемо її торкатися). У 1950-х, коли війна та її наслідки вщухли, Шеннон повернувся до викладання в MIT, витрачаючи вільний час на розваги: калькулятор, який працює виключно з римськими цифрами; машина, при включенні якої з неї з'являлася механічна рука та відключала машину.
Структура Рокфеллерівської машини, з якою зіткнувся Шеннон, логічно залишилася такою самою, як у аналізатора 1931-го року, але вона була побудована з інших фізичних компонентів. Буш зрозумів, що стрижні та механічні передачі в старих машинах знижували ефективність від їх використання: щоб виконати обчислення, потрібно налаштувати машину, на що йшло багато людино-годин роботи кваліфікованих механіків.
Новий аналізатор втратив цю нестачу. В основі його конструкції був не стіл зі стрижнями, а координатний комутатор – зайвий прототип, пожертвований Bell Labs. Замість передачі потужності від центрального валу, кожен інтегральний модуль незалежно приводився в дію електромотором. Для налаштування машини на розв'язання нової задачі досить просто конфігурувати реле в координатній матриці, щоб з'єднати інтегратори в потрібній послідовності. Зчитувач перфострічки (запозичений з іншого телекомунікаційного пристрою, рулонного телетайпу) зчитував конфігурацію машини, а релейна схема перетворювала сигнал зі стрічки на керуючі сигнали для матриці - це було схожим на встановлення серії телефонних викликів між інтеграторами.
Нова машина не тільки була набагато швидшою і простішою в налаштуванні, але й працювала швидше і точніше, ніж її попередник. Вона могла вирішувати складніші завдання. Сьогодні цей комп'ютер можна вважати примітивним, навіть екстравагантним, але тоді він здавався спостерігачам якимось великим — або, можливо, жахливим — розумом, що працює:
Власне, це математичний робот. Автотон, що приводиться електрикою в дію, створений не просто для того, щоб зняти з людського мозку тягар важких обчислень і аналізу, а й для того, щоб накинутися на математичні завдання, не підвладні розумовому рішенню, і вирішити їх.
Шеннон сконцентрувався на перетворенні даних із паперової стрічки в інструкції для «мозку», і за цю операцію відповідала релейна схема. Він звернув увагу на відповідність між структурою схеми та математичними структурами булевої алгебри, яку він вивчав у випускному класі у Мічигані. Це алгебра, чиїми операндами були ІСТИНА і БРЕХНЯ, А операторами - І, АБО, НЕ і т. д. Алгебра, що відповідала логічним твердженням.
Витративши літо 1937-го працювати в Bell Labs на Манхеттені (ідеальне місце для роздумів над релейними схемами), Шеннон написав магістерську дисертацію під назвою «Символічний аналіз релейних і комутаційних схем» (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Поруч із роботою Алана Тьюринга, створеної рік до цього, дисертація Шеннона сформувала фундамент науки обчислювальних машин.
У 1940—1950-х Шеннон побудував кілька обчислювальних/логічних машин: калькулятор з римським обчисленням THROBAC, машину для шахових ендшпилів, а також Theseus — лабіринт, яким їздила електромеханічна миша (на фото)
Шеннон виявив, що систему рівнянь пропозиціональної логіки можна безпосередньо механістично перетворити на фізичну схему релейних перемикачів. Він уклав: «Фактично будь-яку операцію, яка може бути описана кінцевою кількістю кроків з використанням слів ЯКЩО, І, АБО і т. д. можна автоматично виконати за допомогою реле». Наприклад, два керованих реле перемикача, з'єднані послідовно, формують логічне И: струм буде текти головним дротом тільки тоді, коли обидва електромагніти активовані на закриття перемикачів. У той же час два реле, з'єднані паралельно, формують АБО: Струм тече за головною схемою, активований одним з електромагнітів. Вихідні дані такої логічної схеми можуть, своєю чергою, керувати електромагнітами інших реле, щоб отримати складніші логічні операції на кшталт (А И Б) або (В И г).
Шеннон завершив дисертацію додатком із кількома прикладами схем, створених за його методом. Оскільки операції булевої алгебри дуже схожі на арифметичні операції в двійковій системі (тобто з використанням двійкових чисел) він показав, як можна зібрати з реле «електричний суматор у двійковій системі» — ми називаємо це двійковим суматором. Через кілька місяців один з учених Bell Labs зробив такий суматор на кухонному столі.
Штібіц
Джордж Штібіц (George Stibitz), дослідник з математичного відділу штаб-квартири Bell Labs на Манхеттені, темного листопадового вечора 1937-го приніс додому дивний набір обладнання. Сухі акумуляторні осередки, дві маленькі лампочки для апаратних щитів і кілька плоских реле Type U, знайдених у баку для сміття. Додавши кілька дротів і деякий мотлох, він зібрав пристрій, який міг складати два однорозрядних двійкових числа (представлених за допомогою наявності або відсутності вхідної напруги) і виводити дворозрядне число за допомогою лампочок: одиниця - включено, нуль - вимкнено.
Двійковий суматор Штибиця
Штибиця, фізика за освітою, попросили оцінити фізичні властивості релейних магнітів. Раніше він взагалі не мав досвіду роботи з реле і тому почав із вивчення їх використання у телефонних схемах Bell. Незабаром Джордж помітив схожість між деякими схемами та арифметичними операціями з двійковими числами. Заінтригований, він зібрав на кухонному столі свій проект.
Спочатку пустощі Штибіца з реле викликало мало інтересу у керівництва Bell Labs. Але в 1938 голова дослідницької групи запитав Джорджа, чи можуть його калькулятори використовуватися для арифметичних операцій з комплексними числами (наприклад, a+bi, Де i - Квадратний корінь негативного числа). Виявилося, кілька обчислювальних відділів у Bell Labs вже стогнали через те, що їм постійно доводилося множити та ділити такі числа. Помноження одного комплексного числа вимагало чотирьох арифметичних операцій на настільному калькуляторі, розподіл - 16 операцій. Штибіц сказав, що може вирішити проблему і розробив схему машини для таких обчислень.
Остаточну конструкцію, яку втілив у металі телефонний інженер Семюель Вільямс (Samuel Williams), назвали Complex Number Computer або Complex Computer для стислості і запустили в роботу в 1940-му. Для обчислень використовувалося 450 реле, проміжні результати зберігалися у десяти координатних перемикачах. Дані вводилися та приймалися за допомогою рулонного телетайпу. У департаментах Bell Labs встановили три таких телетайпи, що говорить про великі потреби у обчислювальних потужностях. Реле, матриця, телетайпи - у всіх відношеннях це був продукт системи Bell.
Зоряний час Complex Computer пробив 11 вересня 1940-го. Штібіц представив звіт про комп'ютер на зустрічі Американського математичного товариства у Дартмутському коледжі. Він домовився, що там буде встановлений телетайп з телеграфним підключенням до Complex Computer на Манхеттені, за 400 кілометрів. Бажаючі могли підійти до телетайпу, запровадити на клавіатурі умови завдання та побачити, як менше ніж за хвилину телетайп чарівним чином друкує результат. Серед тих, хто випробував новинку, були Джон Моучлі (John Mauchly) та Джон фон Нейман (John von Neumann), кожен із яких відіграє важливу роль у продовженні нашої історії.
Учасники зустрічі побачили короткий проблиск майбутнього світу. Пізніше комп'ютери стали такими дорогими, що адміністратори вже не могли дозволити їм стояти без діла, поки користувач чухає підборіддя перед консоллю управління, розмірковуючи, що набрати далі. Наступні 20 років вчені думатимуть, як створити комп'ютери загального призначення, які завжди чекатимуть, щоб ви ввели в них дані, навіть працюючи при цьому над чимось ще. І потім пройде ще 20 років, поки цей інтерактивний режим обчислень не стане гаразд.
Штибіц за дартмутським інтерактивним терміналом у 1960-х. Дартмутський коледж був піонером у сфері інтерактивних обчислень. Штибіц став професором коледжу у 1964 році
Дивно, що, незважаючи на завдання, що вирішуються ним, Complex Computer за сучасними мірками — взагалі не комп'ютер. Він міг виконувати арифметичні операції з комплексними числами та, ймовірно, вирішувати й інші подібні завдання, але не завдання загального призначення. Він був програмованим. Він не міг виконувати операції у довільному порядку чи повторно. Це був калькулятор, здатний робити певні обчислення набагато краще за попередників.
З початком Другої світової Bell під керівництвом Штібіца була створена серія комп'ютерів з назвами Model II, Model III і Model IV (Complex Computer, відповідно, отримав ім'я Model I). Більшість із них побудували на вимогу Національного дослідницького комітету з питань оборони, а очолював його не хто інший, як Венівар Буш. Штибіц покращив схему машин з погляду більшої універсальності функцій та програмованості.
Наприклад, Ballistic Calculator (пізніше — Model III) розроблявся потреб систем управління зенітною стрільбою. Його запустили в експлуатацію 1944-го у Форті Блісс, Техас. Пристрій містив 1400 реле і могло виконувати програму математичних операцій, що визначається послідовністю інструкцій на кільцевій паперовій стрічці. Окремо подавалася стрічка із вхідними даними, окремо – табличні дані. Це дозволяло швидко знаходити значення, наприклад, тригонометричних функцій без реальних обчислень. Інженери Bell розробили спеціальні пошукові схеми (hunting circuits), які сканували стрічку вперед/назад та шукали адресу потрібного табличного значення незалежно від обчислень. Штибіц встановив, що його комп'ютер Model III, який день і ніч клацає реле, замінював 25—40 обчислювальниць.
Стійки з реле Bell Model III
Машина Model V вже не встигла побувати на військовій службі. Вона стала ще більш універсальною і потужною. Якщо оцінювати в кількості замінних нею обчислювачів, вона приблизно в десять разів перевершувала Model III. Декілька обчислювальних модулів з 9 тисячами реле могли отримувати вхідні дані з кількох станцій, де користувачі вводили умови різних завдань. Кожна така станція мала один зчитувач стрічки для введення даних і п'ять для інструкцій. Це дозволяло під час обчислення завдання з основної стрічки викликати різні підпрограми. Головний керуючий модуль (по суті, аналог операційної системи) розподіляв інструкції з обчислювальних модулів залежно від їхньої доступності, а програми могли виконувати умовні переходи. То був уже не просто калькулятор.
Рік чудес: 1937-й
1937 можна вважати поворотним моментом в історії обчислювальних машин. У той рік Шеннон і Штібіц помітили схожість між релейними схемами та математичними функціями. Ці висновки призвели до Bell Labs до створення цілої серії важливих цифрових машин. Це була свого роду або навіть заміщення, коли скромне телефонне реле, не змінюючи фізичної форми, стало втіленням абстрактної математики та логіки.
Того ж року у січневому номері видання Праці Лондонського математичного товариства вийшла стаття британського математика Алана Тьюринга «Про обчислювані числа стосовно »(On Computable Numbers, With Application до the Entscheidungsproblem). У ній було описано універсальна обчислювальна машина: автор стверджував, що міг би виконувати дії, логічно еквівалентні діям людей-обчислювачів. Т'юрінг, який у попередньому році вступив до аспірантури Прінстонського університету, також був заінтригований релейними схемами. І, як і Буш, стурбований наростаючою загрозою війни з Німеччиною. Тому він взявся за сторонній криптографічний проект — бінарний помножувач, який можна було використовувати для шифрування військових повідомлень. Т'юрінг збудував його з реле, набраних в університетському механічному цеху.
У тому ж 1937-му Говард Ейкен (Howard Aiken) розмірковував про передбачувану автоматичну обчислювальну машину. Гарвардський аспірант-електротехнік Ейкен виконував чималу частку обчислень за допомогою лише механічного калькулятора та друкованих книг з математичними таблицями. Він запропонував конструкцію, яка б позбавляла цієї рутини. На відміну від обчислювальних пристроїв, що існували, вона повинна була автоматично і циклічно обробляти процеси, використовуючи результати попередніх обчислень як вхідні дані для наступних.
Тим часом у Nippon Electric Company телекомунікаційний інженер Акіра Накашима (Akira Nakashima) ще з 1935 року досліджував зв'язки між релейними схемами та математикою. Нарешті, 1938-го він самостійно довів еквівалентність релейних схем булевої алгебри, яку Шеннон виявив роком раніше.
У Берліні Конрад Цузе (Konrad Zuse), колишній авіаінженер, що втомився від нескінченних обчислень, які були потрібні на роботі, шукав кошти на створення другої обчислювальної машини. Йому не вдалося змусити надійно працювати свій перший механічний пристрій V1, тому він хотів зробити релейний комп'ютер, який і розробив у співавторстві зі своїм другом, телекомунікаційним інженером Гельмутом Шрейером (Helmut Schreyer).
Універсальність телефонних реле, висновки про математичну логіку, бажання яскравих умів позбутися роботи, що отупляє — все це переплелося і призвело до виникнення уявлення про логічну машину нового типу.
Забуте покоління
Плодам відкриттів та розробок 1937-го довелося дозрівати кілька років. Війна виявилася найпотужнішим добривом, і з приходом релейні комп'ютери почали з'являтися скрізь, де існувала необхідна технічна експертиза. Математична логіка стала ґратами для лоз електротехніки. Виникли нові форми програмованих обчислювальних машин - перший малюнок сучасних комп'ютерів.
Крім машин Штибіца до 1944-го США могли похвалитися пристроєм Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), результатом пропозиції Ейкена. Подвійна назва виникла через погіршення відносин між академічним середовищем та промисловістю: усі пред'являли права на пристрій. Mark I/ASCC використовувало керуючі релейні схеми, але основний арифметичний модуль був побудований за архітектурою механічних калькуляторів IBM. Машину було створено потреб бюро кораблебудування США. Її спадкоємиця Mark II почала працювати 1948-го на випробувальному полігоні ВМФ, і всі її операції будувалися виключно на реле — на 13 тисячах реле.
Цузе під час війни побудував кілька релейних комп'ютерів, дедалі складніших. Кульмінацією став V4, який, як і Bell Model V, включав установки для виклику підпрограм і виконував умовні переходи. Через брак матеріалів у Японії жодна з розробок Накашими та його співвітчизників не була втілена у металі, доки країна не відновилася після війни. У 1950-х заново сформоване міністерство зовнішньої торгівлі та промисловості профінансувало створення двох релейних машин, друга з яких була монстром із 20 тисячами реле. Компанія Fujitsu, яка брала участь у створенні, розробила власні комерційні продукти.
Сьогодні ці машини майже повністю забуті. У пам'яті залишилася лише одна назва – ЕНІАК (ENIAC). Причина забуття не відноситься до їх складності, можливостей, або швидкості. Обчислювальні та логічні властивості реле, відкриті вченими та дослідниками, відносяться до будь-якого виду пристроїв, які можуть діяти як перемикач. І так сталося, що був доступний інший подібний пристрій. електронний перемикач, який міг спрацьовувати в сотні разів швидше за реле.
Важливість Другої світової історії життя обчислювальних машин вже має бути очевидна. Найстрашніша війна стала поштовхом до розвитку електронних машин. Її початок вивільнив ресурси, необхідні подолання очевидних недоліків електронних перемикачів. Панування електромеханічних комп'ютерів виявилося недовгим. Подібно до титанів, вони були скинуті своїми дітьми. Як і реле, електронна комутація виникла завдяки потребам телекомунікаційної промисловості. А щоб з'ясувати, звідки вона походить, ми маємо відмотати нашу історію до моменту на зорі епохи радіо.
Джерело: habr.com