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到目前为止，我们已经回顾了构建数字电子计算机的前三种尝试：阿塔纳索夫-贝里 ABC 计算机，由约翰·阿塔纳索夫构想； 由汤米·弗劳尔斯 (Tommy Flowers) 和宾夕法尼亚大学摩尔学院 (ENIAC) 领导的英国巨人项目 (British Colossus) 项目。 事实上，所有这些项目都是独立的。 尽管 ENIAC 项目的主要推动者约翰·莫奇利 (John Mauchly) 知道阿塔纳索夫的工作，但 ENIAC 的设计与 ABC 没有任何相似之处。 如果说电子计算设备有一个共同的祖先的话，那就是不起眼的韦恩-威廉姆斯计数器，它是第一个使用真空管进行数字存储的设备，并让阿塔纳索夫、弗劳尔斯和莫奇利走上了创造电子计算机的道路。
然而，这三台机器中只有一台在随后的事件中发挥了作用。 ABC 从未制作过任何有用的作品，而且总的来说，知道它的少数人已经忘记了它。 事实证明，这两台战争机器的性能优于现有的所有其他计算机，但即使在击败德国和日本之后，巨像仍然处于秘密状态。 只有 ENIAC 变得广为人知，并因此成为电子计算标准的持有者。 现在，任何想要创建基于真空管的计算设备的人都可以通过摩尔学派的成功来得到证实。 1945 年之前，工程界对所有此类项目抱有根深蒂固的怀疑态度，但现在已经消失了。 怀疑论者要么改变主意，要么保持沉默。
爱达克报告
该文件于 1945 年发布，基于创建和使用 ENIAC 的经验，为二战后世界计算机技术的方向定下了基调。 它被称为“EDVAC（电子离散变量自动计算机）报告初稿”，并为第一台现代意义上的可编程计算机（即执行从高速存储器检索的指令）的架构提供了模板。 尽管其中列出的想法的确切起源仍然存在争议，但它是用数学家的名字签署的 （出生于亚诺斯·拉霍斯·诺伊曼）。 这篇论文还首次尝试从特定机器的规格中抽象出计算机的设计，这体现了数学家的典型思维。 他试图将计算机结构的本质与其各种可能和随机的化身分开。
冯·诺依曼出生于匈牙利，通过普林斯顿（新泽西州）和洛斯阿拉莫斯（新墨西哥州）来到 ENIAC。 1929 年，作为一位对集合论、量子力学和博弈论做出显着贡献的年轻数学家，他离开欧洲前往普林斯顿大学任职。 四年后，附近的高等研究院 (IAS) 为他提供了终身教职。 由于纳粹主义在欧洲的兴起，冯·诺依曼高兴地抓住了无限期留在大西洋彼岸的机会，并在事后成为第一批来自希特勒欧洲的犹太知识难民之一。 战后，他感叹道：“我对欧洲的感情与怀旧相反，因为我所知道的每一个角落都让我想起一个消失的世界和无法带来安慰的废墟”，并回忆起“我对欧洲人民的人性感到彻底失望”。 1933 年至 1938 年期间。”
冯·诺依曼对年轻时迷失的多民族欧洲感到厌恶，他将自己所有的智慧用于援助属于庇护他的国家的战争机器。 在接下来的五年里，他走遍了全国，为各种新武器项目提供建议和咨询，同时设法与人合着了一本关于博弈论的多产书籍。 作为顾问，他最秘密和最重要的工作是他在曼哈顿计划中的职位 - 试图制造原子弹 - 其研究团队位于洛斯阿拉莫斯（新墨西哥州）。 1943 年夏天，罗伯特·奥本海默 (Robert Oppenheimer) 招募他来帮助进行该项目的数学建模，他的计算说服了团队的其他成员转向向内发射炸弹。 由于炸药将可裂变材料向内移动，这样的爆炸将实现自我维持的链式反应。 因此，需要进行大量计算才能在所需压力下实现向内的完美球形爆炸——任何错误都会导致链式反应中断和炸弹惨败。
冯·诺依曼在洛斯阿拉莫斯工作时
在洛斯阿拉莫斯，有一个由二十名人类计算器组成的小组，他们可以使用台式计算器，但他们无法应对计算负载。 科学家们为他们提供了 IBM 的设备来处理穿孔卡，但他们仍然跟不上。 他们要求 IBM 改进设备，并于 1944 年收到了它，但仍然跟不上。
那时，冯·诺依曼在他的定期越野巡航中增加了另一组地点：他参观了洛斯阿拉莫斯可能有用的计算机设备的每个可能位置。 他给国防研究委员会（NDRC）应用数学部负责人沃伦·韦弗（Warren Weaver）写了一封信，并得到了几条很好的线索。 他去哈佛考察了马克一号，但他已经满脑子都是海军的工作。 他与乔治·斯蒂比茨进行了交谈，并考虑为洛斯阿拉莫斯订购一台贝尔中继计算机，但在了解需要多长时间后放弃了这个想法。 他访问了哥伦比亚大学的一个小组，该小组在华莱士·埃克特 (Wallace Eckert) 的指导下将多台 IBM 计算机集成到一个更大的自动化系统中，但与洛斯阿拉莫斯现有的 IBM 计算机相比，没有明显的改进。
然而，韦弗没有在他给冯·诺依曼的清单中包括一个项目：ENIAC。 他当然知道这一点：作为应用数学主任，他负责监控国家所有计算项目的进展。 韦弗和国家发改委当然可能对 ENIAC 的可行性和时机有所怀疑，但令人惊讶的是他甚至没有提到它的存在。
不管出于什么原因，结果是冯·诺依曼只是在一次铁路站台的偶遇才知道了ENIAC。 这个故事是由摩尔学院测试实验室的联络员赫尔曼·戈尔茨坦讲述的，ENIAC 就是在该实验室建造的。 1944 年 XNUMX 月，戈尔茨坦在阿伯丁火车站遇到了冯·诺依曼，当时冯·诺依曼正要离开去参加一次咨询，当时他是阿伯丁弹道研究实验室科学顾问委员会的成员。 戈德斯坦知道冯·诺依曼伟人的声誉，并与他进行了交谈。 为了给人留下深刻的印象，他忍不住提到了费城正在开发的一个新的有趣的项目。 冯·诺依曼的态度立即从一个自满的同事变成了一个强硬的控制者，他向戈德斯坦提出了与新计算机细节相关的问题。 他为洛斯阿拉莫斯找到了一个有趣的新的潜在计算机能力来源。
1944 年 XNUMX 月，冯·诺依曼首次拜访了 Presper Eckert、John Mauchly 和 ENIAC 团队的其他成员。他立即爱上了这个项目，并在他长长的咨询组织清单中添加了另一个项目。 双方都因此受益。 很容易理解为什么冯·诺依曼被高速电子计算的潜力所吸引。 ENIAC 或类似的机器有能力克服阻碍曼哈顿计划和许多其他现有或潜在项目进展的所有计算限制（然而，萨伊定律至今仍然有效，确保了计算能力很快就会对它们产生同等的需求）。 对于摩尔学派来说，冯·诺依曼这样一位公认的专家的加持意味着对他们的怀疑的结束。 而且，鉴于他敏锐的智慧和遍布全国的丰富经验，他在自动计算领域知识的广度和深度是无与伦比的。
这就是冯·诺依曼参与埃克特和莫奇利创建 ENIAC 继任者计划的方式。 他们与赫尔曼·戈德斯坦和另一位 ENIAC 数学家阿瑟·伯克斯一起开始草拟第二代电子计算机的参数，冯·诺依曼在“初稿”报告中总结了这个小组的想法。 新机器必须更强大，具有更平滑的线条，最重要的是，克服使用 ENIAC 的最大障碍 - 每项新任务需要花费数小时进行设置，在此期间，这台功能强大且极其昂贵的计算机只是闲置。 最新一代机电机器哈佛马克一号和贝尔继电器计算机的设计者通过使用打孔纸带将指令输入计算机来避免这种情况，以便操作员可以在机器执行其他任务时准备纸张。 然而，这种数据输入会抵消电子设备的速度优势； 没有哪家报纸能够像 ENIAC 接收数据那样快地提供数据。 （“Colossus”使用光电传感器处理纸张，其五个计算模块中的每一个都以每秒 5000 个字符的速度吸收数据，但这要归功于纸带的最快滚动。前往纸带上的任意位置磁带每 0,5 行需要 5000. XNUMX 秒的延迟）。
“初稿”中描述的该问题的解决方案是将指令的存储从“外部记录介质”移至“存储器”——这个词首次用于与计算机数据存储相关的领域（冯·诺依曼）在工作中特别使用了这个和其他生物学术语——他对大脑的工作和神经元中发生的过程非常感兴趣）。 这个想法后来被称为“程序存储”。 然而，这立即导致了另一个问题——甚至让阿塔纳索夫也感到困惑——电子管的成本过高。 “初稿”估计，一台能够执行广泛计算任务的计算机将需要 250 个二进制数的内存来存储指令和临时数据。 这种尺寸的电子管存储器将花费数百万美元，而且完全不可靠。
埃克特提出了解决这一困境的方法。埃克特在 1940 世纪 XNUMX 年代初根据摩尔学院和美国雷达技术中央研究中心麻省理工学院 Rad 实验室之间的合同从事雷达研究。 具体来说，埃克特正在开发一种名为“移动目标指示器”（MTI）的雷达系统，该系统解决了“地面耀斑”问题：建筑物、山丘和其他静止物体在雷达屏幕上产生的任何噪音，使雷达难以识别。操作员隔离重要信息——移动飞机的大小、位置和速度。
MTI 使用一种名为“MTI”的设备解决了耀斑问题 。 它将雷达的电脉冲转换为声波，然后将这些波发送到水银管中，以便声音到达另一端，并在雷达重新扫描天空中的同一点时转换回电脉冲（延迟线）声音也可以被其他介质用于传播：其他液体、固体晶体甚至空气（根据一些消息来源，他们的想法是由贝尔实验室物理学家威廉·肖克利发明的，后来关于他）。 与管道上的信号同时到达的任何来自雷达的信号都被视为来自静止物体的信号并被删除。
埃克特意识到延迟线中的声音脉冲可以被视为二进制数 - 1 表示声音存在，0 表示声音不存在。 一根水银管可以包含数百个这样的数字，每个数字每毫秒通过线路几次，这意味着计算机必须等待几百微秒才能访问该数字。 在这种情况下，访问手机中的连续数字会更快，因为数字之间仅相隔几微秒。
英国EDSAC计算机中的水银延迟线
在解决了计算机设计的主要问题后，冯·诺依曼于 101 年春天将整个小组的想法汇编成一份 1945 页的“初稿”报告，并将其分发给第二代 EDVAC 项目的关键人物。 很快他就进入了其他圈子。 例如，数学家莱斯利·科姆里 (Leslie Comrie) 1946 年参观摩尔学校后，带回了一本带回英国的家，并与同事们分享。 该报告的传播激怒了埃克特和莫奇利，原因有二：首先，报告将大部分功劳归功于草案的作者冯·诺依曼。 其次，该系统中包含的所有主要思想实际上都是从专利局的角度发布的，这干扰了他们将电子计算机商业化的计划。
埃克特和莫奇利的怨恨的根源反过来又引起了数学家冯·诺依曼、戈德斯坦和伯克斯的愤慨。 他们认为，该报告是重要的新知识，需要本着科学进步的精神尽可能广泛地传播。 此外，整个企业都是由政府资助的，因此是以美国纳税人的利益为代价的。 他们对埃克特和莫奇利试图从战争中赚钱的商业主义感到排斥。 冯·诺依曼写道：“如果我知道自己是在为商业集团提供咨询，我永远不会接受大学咨询职位。”
1946 年，两派分道扬镳：埃克特和莫奇利基于一项看似更安全的 ENIAC 技术专利开设了自己的公司。 他们最初将公司命名为电子控制公司，但第二年更名为埃克特-莫奇利计算机公司。 冯·诺依曼回到 IAS 构建了一台基于 EDVAC 的计算机，Goldstein 和 Burks 也加入其中。 为了防止埃克特和莫奇利的情况重演，他们确保新项目的所有知识产权都成为公共领域。
冯·诺依曼在 1951 年建造的 IAS 计算机前。
献给艾伦·图灵的静修所
以迂回方式看到EDVAC报告的人中就有英国数学家阿兰·图灵。 图灵并不是第一批创造或想象自动计算机（无论是电子计算机还是其他计算机）的科学家之一，一些作者极大地夸大了他在计算史上的作用。 然而，我们必须赞扬他是第一个认识到计算机不仅仅可以通过简单地处理大量数字序列来“计算”某些东西的人。 他的主要思想是，人类大脑处理的信息可以用数字的形式表示，因此任何心理过程都可以转化为计算。
艾伦·图灵于 1951 年
1945年底，图灵发表了自己的报告，其中提到了冯·诺依曼，题为“电子计算器的提案”，供英国国家物理实验室（NPL）使用。 他并没有深入研究拟议电子计算机设计的具体细节。 他的图表反映了逻辑学家的思想。 它并不打算为高级功能提供特殊的硬件，因为它们可以由低级原语组成； 这对于汽车美丽的对称性来说是一个丑陋的增长。 图灵也没有为计算机程序分配任何线性内存——数据和指令可以在内存中共存，因为它们只是数字。 指令只有被解释为指令时才成为指令（图灵 1936 年的论文“论可计算数”已经探讨了静态数据和动态指令之间的关系。他描述了后来被称为“图灵机”的东西，并展示了它如何可以变成一个数字并作为输入输入到能够解释和执行任何其他图灵机的通用图灵机）。 因为图灵知道数字可以代表任何形式的明确指定的信息，所以他在这台计算机上要解决的问题清单中不仅包括了炮兵表的构造和线性方程组的求解，而且还包括了难题和问题的解决。国际象棋研究。
自动图灵引擎（ACE）从未以其原始形式构建。 它太慢了，不得不与更渴望的英国计算项目竞争最优秀的人才。 该项目停滞了几年，然后图灵就失去了兴趣。 1950 年，NPL 制造了 Pilot ACE，这是一款设计稍有不同的较小机器，其他几款计算机设计也从 1950 世纪 XNUMX 年代初的 ACE 架构中汲取了灵感。 但她没能扩大自己的影响力，很快就被人们遗忘了。
但所有这些并没有削弱图灵的优点，它只是有助于把他放在正确的背景下。 他对计算机历史的影响的重要性不是基于 1950 世纪 1960 年代的计算机设计，而是基于他为 XNUMX 年代出现的计算机科学提供的理论基础。 他早期的数理逻辑著作探索了可计算和不可计算的边界，成为这门新学科的基础文本。
缓慢的革命
随着ENIAC和EDVAC报告的消息传开，摩尔的学校成了朝圣地。 许多游客来到大师的脚下学习，尤其是来自美国和英国的游客。 为了简化申请者的流程，1946 年，学校院长不得不组织一所关于自动计算机的暑期学校，并通过邀请进行工作。 埃克特、莫奇利、冯·诺依曼、伯克斯、戈德斯坦和霍华德·艾肯（哈佛 Mark I 机电计算机的开发者）等杰出人物发表了演讲。
现在几乎每个人都想根据 EDVAC 报告中的指令来构建机器（讽刺的是，第一台运行存储在内存中的程序的机器是 ENIAC 本身，它在 1948 年被转换为使用存储在内存中的指令。直到那时它才开始在其新家阿伯丁试验场成功工作）。 甚至 1940 世纪 50 年代和 XNUMX 年代创建的新计算机设计的名称也受到 ENIAC 和 EDVAC 的影响。 即使你不考虑 UNIVAC 和 BINAC（由 Eckert 和 Mauchly 的新公司创建）以及 EDVAC 本身（在其创始人离开后在摩尔学院完成），仍然有 AVIDAC、CSIRAC、EDSAC、FLAC、 ILLIAC、JOHNNIAC、ORDVAC、SEAC、SILLIAC、SWAC 和 WEIZAC。 他们中的许多人利用冯·诺依曼关于知识产权的开放政策，直接复制了免费发布的IAS设计（稍作修改）。
然而，电子革命逐渐发展，逐步改变现有秩序。 第一台 EDVAC 式机器直到 1948 年才出现，它只是一个小型概念验证项目，是一个曼彻斯特“婴儿”，旨在证明内存的可行性 （大多数计算机从水银管改用另一种类型的存储器，这也归功于雷达技术。只是它没有使用电子管，而是使用了 CRT 屏幕。英国工程师弗雷德里克·威廉姆斯（Frederick Williams）是第一个弄清楚如何用该内存的稳定性，因此驱动器获得了他的名字）。 1949 年，又创建了四台机器：全尺寸的曼彻斯特 Mark I、剑桥大学的 EDSAC、悉尼（澳大利亚）的 CSIRAC 和美国的 BINAC - 尽管后者从未投入运行。 小而稳定 持续了接下来的五年。
一些作者形容 ENIAC 仿佛为过去拉上了帷幕，让我们立即进入了电子计算时代。 正因为如此，真实的证据被极大地扭曲了。 “全电子 ENIAC 的出现几乎立即使 Mark I 过时了（尽管它在十五年后继续成功运行），”凯瑟琳·戴维斯·菲什曼（Katherine Davis Fishman）在《计算机机构》（1982 年）中写道。 这种说法显然是自相矛盾的，以至于人们会认为菲什曼小姐的左手不知道她的右手在做什么。 当然，你可以将其归因于一位普通记者的笔记。 然而，我们发现一些真正的历史学家再次选择马克一号作为他们的替罪羊，写道：“哈佛马克一号不仅是技术上的死胡同，而且在其十五年的运行过程中根本没有做任何有用的事情。 它被用于多个海军项目，事实证明该机器足够有用，海军可以为艾肯实验室订购更多计算机。”[Aspray 和 Campbell-Kelly]。 又是一个明显的矛盾。
事实上，继电器计算机有其优势，并继续与它们的电子表兄弟一起工作。 第二次世界大战后，甚至在 1950 世纪 150 年代初，日本就诞生了多种新型机电计算机。 中继机更容易设计、建造和维护，并且不需要那么多的电力和空调（以消散数千个真空管发出的大量热量）。 ENIAC 使用 20 千瓦电力，其中 XNUMX 千瓦用于冷却。
美国军方仍然是计算能力的主要消费者，并没有忽视“过时”的机电模型。 1940 世纪 1949 年代末，陆军拥有四台中继计算机，海军拥有五台。 阿伯丁的弹道研究实验室拥有世界上最集中的计算能力，拥有 ENIAC、贝尔和 IBM 的继电器计算器以及老式的差分分析仪。 在 XNUMX 年 XNUMX 月的报告中，每一个都被赋予了自己的位置：ENIAC 在长而简单的计算中效果最好； 贝尔的 V 型计算器由于其几乎无限长度的指令带和浮点功能，更擅长处理复杂的计算，而 IBM 可以处理存储在穿孔卡上的大量信息。 同时，某些操作（例如求立方根）仍然更容易手动完成（使用电子表格和桌面计算器的组合）并节省机器时间。
电子计算革命结束的最佳标志不是 1945 年 ENIAC 诞生，而是 1954 年 IBM 650 和 704 计算机出现。这些不是第一台商用电子计算机，但它们是第一台，在数百人，并决定了 IBM 在计算机行业持续三十年的统治地位。 术语方面 电子计算机不再是 1940 世纪 XNUMX 年代的奇怪现象，只存在于像阿塔纳索夫和莫奇利这样的被遗弃者的梦想中； 它们已成为常规科学。
许多 IBM 650 计算机中的一台 — 在本例中是德克萨斯 A&M 大学的示例。 磁鼓存储器（底部）使其速度相对较慢，但也相对便宜。
离开巢穴
到 1950 世纪 1930 年代中期，数字计算设备的电路和设计已经摆脱了模拟开关和放大器的束缚。 40 世纪 XNUMX 年代和 XNUMX 年代初的计算机设计在很大程度上依赖于物理和雷达实验室的想法，尤其是电信工程师和研究部门的想法。 现在，计算机已经组织了自己的领域，该领域的专家正在开发自己的想法、词汇和工具来解决自己的问题。
计算机以其现代意义出现，因此我们的 即将结束。 然而，电信世界还有另一张有趣的王牌。 真空管超越了继电器，因为它没有移动部件。 我们历史上最后一次继电器的优点是完全没有任何内部部件。 由于一种被称为“固态”的电子学新分支，这种看似无害、内部伸出几根电线的物质块已经出现。
尽管真空管速度很快，但它们仍然昂贵、庞大、发热，而且不是特别可靠。 用它们制造笔记本电脑是不可能的。 冯·诺依曼 (Von Neumann) 在 1948 年写道：“只要我们被迫应用当前的技术和理念，我们的开关数量就不可能超过 10 个（或者可能是数万个）。” 固态继电器使计算机能够一次又一次地突破这些限制，并不断突破它们。 可用于小型企业、学校、家庭、家用电器并可放入口袋； 创造一个神奇的数字土地，渗透到我们今天的生活中。 为了找到它的起源，我们需要将时钟倒回五十年前，回到无线技术有趣的早期。
还有什么要读的：
- David Anderson，“曼彻斯特婴儿是在布莱切利公园受孕的吗？”，英国计算机协会（4 年 2004 月 XNUMX 日）
- William Aspray、约翰·冯·诺依曼和现代计算的起源 (1990)
- Martin Campbell-Kelly 和 William Aspray，计算机：信息机器的历史 (1996)
- 托马斯·海格等。 等人，Eniac 在行动 (2016)
- 约翰·冯·诺依曼，“EDVAC 报告初稿”（1945 年）
- 艾伦·图灵，“提议的电子计算器”（1945）
来源： habr.com