Как назывался первый компьютер цифровой интегратор и вычислитель общего назначения
Обновлено: 06.07.2024
Как благодаря артиллерии появился один из самых мощных компьютеров, на какой обман из-за этого пришлось пойти и почему с созданием вычислительной машины опоздали, рассказываем в очередном выпуске рубрики «История науки».
Как и очень многое в нашей жизни, электронные вычислительные машины появились благодаря военным. Заказ на создание машины, о которой пойдет речь в нашей статье, поступил от артиллеристов. Действительно, расчет траектории полета снаряда — дело очень непростое, для точного вычисления места, куда попадет снаряд гаубицы или обычного орудия, нужно учитывать очень много параметров: возвышение ствола орудия, калибр и аэродинамические показатели снаряда, скорость ветра, давление, температуру и влажность воздуха, тип заряда, который заложен в орудие.
В те времена в армии США такими расчетами занималась Лаборатория баллистических исследований, которая издавала таблицы стрельб для каждого снаряда. Для этого девушкам-вычислителям Лаборатории требовалось совершить на механических арифмометрах около 1000 действий для каждой траектории. Всего траекторий в таблицах было около трех тысяч. Поэтому в 1943 году Электротехническая школа (институт) Мура Пенсильванского университета получила заказ на создание вычислителя, который делал бы всю эту работу.
Создатели ENIAC (слева направо): Джон Эккерт, Джон Брейнерд, Сэм Фелтман, Герман Голдстайн, Джон Мокли, Дин Пендер, генерал Гладеон Барнс, полковник Пол Гиллон
Институт Мура уже располагал к тому времени механическим вычислителем («дифференциальным анализатором»), который умел делать часть расчетов, и Джоном Мокли, который еще в 1942 году представил руководству докладную записку The Use of High-Speed Vacuum Tube Devices for Calculation, в которой предложил создать машину на электронных лампах, что намного ускорило бы работу. Правда, руководство поступило с новаторским предложением по-своему: сдало его в архив «без движения», а потом просто потеряло. Кроме того, в Институте имелся студент Джон Эккерт с фантастическим талантом инженера. Эккерт с Мокли и стали разработчиками архитектуры нового вычислителя.
Чтобы не спугнуть боящихся всего нового военных, новый проект для начала назвали electronic diff. analyzer. Не слишком сведущее военное руководство решило, что это всего лишь улучшенный электронными лампами уже имеющийся дифференциальный анализатор, и «купилось» на уловку, выделив 61 700 долларов на первые полгода по контракту W-670-ORD-4926. Тем более что авторы проекта клялись, что одну траекторию машина будет считать всего пять минут.
После одобрения проект переименовали: он стал называться «электронный числовой интегратор». Потом добавилось «и вычислитель». Так появился ENIAC — Electronic Numerical Integrator And Computer.
Уже к февралю 1944 года теоретическая работа была завершена: продумана архитектура и прописаны электрические схемы. Началась работа по сборке 27-тонной машины, которая длилась полтора года. Увы, к несчастью для военных, Вторая мировая тогда уже завершилась, даже ядерное оружие было испытано. Однако это был первый настоящий компьютер, которому нашлось применение в расчетах термоядерной бомбы и таблиц стрельб ядерными боеприпасами. История сохранила нам имена шести девушек: Франсис Билас, Рут Лихтерман, Кэтлин Макналти, Франсис Снайдер, Бетти Дженнингс, Мерилин Мельцер. Так звали первых программистов первого компьютера.
Содержание
История создания
Сотрудничество Института Мура с Баллистической Лабораторией по вычислению таблиц стрельбы осуществлялось через капитана Германа Голдстайна, который до поступления на службу в армию работал профессором математики в Университете штата Мичиган. Лишь в начале 1943 года один из работников Института в случайной беседе сообщил Голдстайну об идее электронного вычислителя, с которой носился Мокли. Использование электронной вычислительной машины позволило бы Лаборатории сократить время расчета с нескольких месяцев до нескольких часов. Голдстайн встретился с Мокли и предложил ему обратиться с заявкой в Лабораторию на выделение средств для постройки задуманной машины. Мокли по памяти восстановил утерянный 7-страничный документ с описанием проекта.
9 апреля 1943 года проект был представлен Баллистической Лаборатории на заседании Комиссии по науке. В проекте машина называлась «электронный дифф. анализатор» (electronic diff. analyzer). Это была уловка, чтобы новизна проекта не вызвала отторжение у военных. Все они были уже знакомы с дифференциальным анализатором, и проект в их представлении просто предлагал сделать его не механическим, а электрическим. Проект обещал, что построенный компьютер будет вычислять одну траекторию за 5 минут.
К февралю 1944 года были готовы все диаграммы и чертежи будущего компьютера, и группа инженеров под руководством Экерта и Мокли приступила к воплощению замысла в «железо». В группу вошли также:
- Роберт Шоу (Robert F. Shaw> (функциональные таблицы)
- Джеффри Чуан Чу (Jeffrey Chuan Chu) (модуль деления/извлечения квадратного корня)
- Томас Кайт Шарплес (Thomas Kite Sharpless) (главный программист)
- Артур Бёркс (Arthur Burks) (модуль умножения)
- Гарри Хаски (Harry Huskey) (модуль чтения вывод данных)
- Джек Дэви (Jack Davis) (аккумуляторы)
Компьютер был полностью готов лишь осенью 1945 года. Так как война к тому времени уже была закончена, и острой необходимости в быстром расчете таблиц стрельбы уже не было, военное ведомство США решило использовать ENIAC в расчетах по разработке термоядерного оружия.
В Баллистической Лаборатории на ENIAC выполнялись расчеты по проблеме термоядерного оружия, прогнозам погоды в СССР для предсказания направления выпадения ядерных осадков на случай ядерной войны, инженерные расчеты, и конечно же таблиц стрельбы, включая таблицы стрельбы ядерными боеприпасами.
Использование
Производительность ЭНИАКа был слишком мала для полноценной симуляции, поэтому Метрополис и Френкель сильно упростили уравнение, игнорируя многие физические эффекты и стараясь хотя бы приблизительно рассчитать лишь первую фазу взрыва дейтерий-тритиевой смеси в одномерном пространстве. Детали и результаты выполненных в ноябре-декабре 1945 года расчетов до сих пор засекречены. Перед ЭНИАКом была поставлена задача решить сложнейшее дифференциальное уравнение, для ввода исходных данных к которому понадобилось около миллиона перфокарт. Вводная задача была разбита на несколько частей, чтобы данные могли поместиться в память компьютера. Промежуточные результаты выводились на перфокарты и после перекоммутации снова заводились в машину. В апреле 1946 года группа Теллера обсудила результаты и расчетов и сделала вывод, что они достаточно обнадеживающе хотя и очень приблизительно доказывают возможность создания водородной бомбы.
На обсуждении результатов расчета присутствовал Станислав Улам. Пораженный скоростью работы ЭНИАКа он предложил сделать расчеты по термоядерному взрыву методом Монте-Карло. В 1947 году на ЭНИАКе было выполнено 9 расчетов этим методом с различными исходными параметрами. После этого метод Монте-Карло стал использоваться во всех вычислениях, связанных с разработкой термоядерного оружия.
Британский физик Дуглас Хартри в апреле и июле 1946 года решал на ЭНИАКе проблему обтекания воздухом крыла самолета, движущегося быстрее скорости звука. ЭНИАК выдал ему результаты расчетов с точностью до седьмого знака. Об этом опыте работы Хартри написал в статье в сентябрьском выпуске журнала Nature за 1946 год [2] .
Характеристики, архитектура и программирование
На создание ENIAC ушло 200.000 человеко-часов и 486.804,22 доллара США. Всего комплекс включал 17468 ламп 16 различных типов, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70000 резисторов и 10000 конденсаторов.
Вычисления производились в десятичной системе, после тщательного анализа ей было отдано предпочтение перед двоичной системой в связи с тем, что для реализации устройств оперирующих с двоичными числами требовалось значительно меньшее количество ламп. Компьютер оперировал числами максимальной длинной в 20 разрядов [7] .
Многие специалисты Института скептически предсказывали, что при таком количестве ламп в системе компьютер просто не сможет работать сколь-нибудь продолжительное время, чтобы выдать стоящий результат - слишком много точек отказа. Выход из строя одной лампы, одного конденсатора, или резистора, значил останов работы всей машины, и по теории вероятности существовало 1.8 миллиардов вероятностей отказа в каждую секунду [8] . Для того, чтобы вакуумные лампы реже перегорали, Экерт придумал подавать на них минимальное напряжение, а после произведения вычислений ЭНИАК продолжал работать, поддерживая лампы в «теплом» состоянии, чтобы перепад температуры при охлаждении и накаливании не приводил к их перегоранию. Так инженеры добились того, чтобы ЭНИАК работал минимум 20 часов между поломками. Не так много по нынешним меркам, но за каждые 20 часов работы ЭНИАК выполнял месячный объём работы механических вычислителей.
В январе 1944 года, Экерт сделал первый набросок второго компьютера с более совершенным дизайном, в котором программа хранилась в памяти компьютера, а не формировалась с помощью коммутаторов и перестановки блоков, как в ЭНИАКе. Летом 1944 года военный куратор проекта Герман Голдстайн случайно познакомился со знаменитым математиком фон Нейманом и привлек его к работе над машиной. Фон Нейман внес свой вклад в проект с точки зрения строгой теории. Так был создан теоретический и инженерный фундамент для следующей модели компьютера под названием EDVAC с хранимой в памяти программой. Контракт с Армией США на создание этой машины был подписан в апреле 1946 года.
В июле 1953 года к ЭНИАКу подключен был модуль памяти на магнитных сердечниках, увеличивший объём оперативной памяти компьютера с 20 до 120 число-слов.
Влияние
ЭНИАК нельзя было назвать совершенным компьютером. Машина создавалась в военное время в большой спешке с нуля при отсутствии какого-либо предыдущего опыта создания подобных устройств. ЭНИАК был построен в единственном экземпляре, и инженерные решения, реализованные в ЭНИАКЕ, не использовались в последующих конструкциях компьютеров. ЭНИАК скорей компьютер не первого, а «нулевого» поколения. Значение ЭНИАКа заключается просто в его существовании, которое доказало возможность построения полностью электронного компьютера, способного работать достаточно продолжительное время, чтобы оправдать затраты на его постройку и принести ощутимые результаты.
Первая ЭВМ — универсальная машина на электронных лампах построена в США в 1945 году.
Эта машина называлась ENIAC (расшифровывается так: электронный цифровой интегратор и вычислитель). Конструкторами ENIAC были Дж.Моучли и Дж.Эккерт.
Скорость счета этой машины превосходила скорость релейных машин того времени в тысячу раз.
Первый электронный компьютер ENIAC программировался с помощью штеккерно-коммутационного способа, то есть программа строилась путем соединения проводниками отдельных блоков машины на коммутационной доске.
Эта сложная и утомительная процедура подготовки машины к работе делала ее неудобной в эксплуатации.
Основные идеи, по которым долгие годы развивалась вычислительная техника, были разработаны крупнейшим американским математиком Джоном фон Нейманом
В 1946 году в журнале «Nature» вышла статья Дж. фон Неймана, Г. Голдстайна и А. Беркса «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства».
В этой статье были изложены принципы устройства и работы ЭВМ. Главный из них — принцип хранимой в памяти программы, согласно которому данные и программа помещаются в общую память машины.
Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ . Идеи, изложенные в упомянутой выше статье, получили название «архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана».
В 1949 году была построена первая ЭВМ с архитектурой Неймана — английская машина EDSAC.
Годом позже появилась американская ЭВМ EDVAC. Названные машины существовали в единственных экземплярах. Серийное производство ЭВМ началось в развитых странах мира в 50-х годах.
В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 году. Называлась она МЭСМ — малая электронная счетная машина. Конструктором МЭСМ был Сергей Алексеевич Лебедев
Под руководством С.А. Лебедева в 50-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина), БЭСМ-2, М-20.
В то время эти машины были одними из лучших в мире.
В 60-х годах С.А. Лебедев руководил разработкой полупроводниковых ЭВМ БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4, М-220, М-222.
Выдающимся достижением того периода была машина БЭСМ-6. Это первая отечественная и одна из первых в мире ЭВМ с быстродействием 1 миллион операций в секунду. Последующие идеи и разработки С.А. Лебедева способствовали созданию более совершенных машин следующих поколений.
Марлин Вескофф [слева] и Рут Лихтерман были двумя женщинами-программистами ENIAC.
14 февраля 1946 года журналисты собрались в Инженерной школе Мура при Пенсильванском университете, чтобы стать свидетелями публичной демонстрации одного из первых в мире электронных цифровых компьютеров общего назначения — электронного числового интегратора и вычислителя (ENIAC).
Артур Бёркс, математик и старший инженер команды ENIAC, отвечал за демонстрацию возможностей машины. Сначала он заставил компьютер сложить 5000 чисел — с этой задачей вычислитель справился за секунду. Затем он продемонстрировал, что машина может вычислить траекторию бомбы за меньшее время, чем ей требуется для полета к цели.
Репортеры были потрясены новым компьютером. Насколько они могли судить, все, что Бёркс должен был делать — это нажимать на кнопки, и машина тут же начинала работать, вычисляя за минуты то, на что раньше у людей уходили целые дни.
Однако демонстрация есть демонстрация: от журналистов скрывали то, что за вычислительной мощью ENIAC стояла трудная новаторская работа по программированию команды из шести женщин, которые ранее сами работали как «компьютеры».
Бетти Джин Дженнингс [слева] и Фрэнсис Билас работают с главной панелью управления ENIAC.
План создания вычислительной машины, которая могла бы рассчитывать траектории бомб, сформировался в первые годы Второй мировой войны. Инженерная школа Мура работала с Лабораторией баллистических исследований (ЛБИ), где команда из 100 «человеческих компьютеров» обучалась ручному расчету таблиц стрельбы для артиллерийских снарядов.
Эта задача требовала высокого уровня математического мастерства, в том числе способности решать нелинейные дифференциальные уравнения и использовать дифференциальные анализаторы и логарифмические линейки. Тем не менее, компьютерные вычисления считались канцелярской работой, слишком утомительной и однообразной для инженеров-мужчин. Поэтому ЛБИ нанимала женщин, которые в основном имели высшее образование и демонстрировали высокие математические способности, подходящие для выполнения этой работы.
По мере развития войны способность вычислять траектории полета бомб становилась все более неотъемлемой частью военной стратегии, и Лаборатория баллистических исследований испытывала все большее давление со стороны военных, которые требовали немедленных результатов.
В 1942 году физик Джон Мокли написал меморандум, в котором предлагалось создать программируемый «электронный калькулятор» общего назначения, который мог бы автоматизировать вычислительный процесс. К июню 1943 года Мокли вместе с инженером-электриком Дж. Преспером Эккертом получили финансирование на строительство ENIAC.
Дж. Преспер Эккерт, Джон Мокли, Бетти Джин Дженнингс и Герман Голдстайн перед ENIAC.
Цель электронного компьютера состояла в том, чтобы заменить сотни «человекокомпьютеров» ЛБИ, ускорить процесс расчета и сделать его более эффективным — шутка ли, для каждого снаряда и оружия требовалось рассчитать около 3000 траекторий полета, каждая из которой требовала порядка 1000 операций. Один человек мог рассчитать одну траекторию за пару недель, а расчет всей таблицы занимал целых 4 года — очень большой срок в рамках войны, а ведь без такой таблицы артиллеристы банально не смогли бы точно попасть в цель.
Летом 1944 года были готовы два первых «аккумулятора» — модуля, используемых для сложения чисел. Соединив их вместе, Мочли и Эккерт перемножили на них два числа, 5 и 1000, и получили правильный результат, так что проект было решено довести до конца.
Увы — ENIAC был полностью готов лишь осенью 1945, уже после окончания войны. Но, если вспомнить его масштабы, скорее удивляло то, как быстро его смогли собрать: это был 30-тонный монстр, который занимал порядка 140 квадратных метров и использовал 17000 вакуумных ламп, 70000 резисторов, 10000 конденсаторов, 1500 реле и 6000 ручных переключателей. Для программирования этой машины было решено использовать перфокарты — метод, который использовала IBM для программирования других машин на протяжении десятилетий. Но остался самый важный вопрос — кто сможет работать с этой махиной?
Адель и Герман Голдстайн, супружеская пара, которая руководила вычислительными операциями в ЛБИ, предложили, чтобы эту задачу выполнили самые искусные математические умы из их группы. Вместе они отобрали шесть женщин — Кэтлин МакНалти, Фрэнсис Билас, Бетти Джин Дженингс, Рут Лихтерман, Элизабет Снайдер и Марлин Вескофф — для становления их от «человеческих компьютеров» до операторов ENIAC.
Элизабет «Бетти» Снайдер работает на ENIAC.
Их первой задачей было познакомиться с новым компьютером, внутри и снаружи. Они изучили чертежи машины, чтобы понять ее схему, логику и физическую структуру. Команда из шести операторов отвечала за настройку и подключение машины для выполнения конкретных вычислений, обработку перфокарт и отладку самого вычислителя. Зачастую это требовало ползания внутри машины, чтобы заменить неисправную вакуумную трубку или заклинившее реле.
ENIAC не был закончен вовремя, чтобы вычислять траектории бомб во время войны. Однако, очевидно, что такая великолепная машина не будет долго простаивать, и уже в ноябре 1946 года вычислитель был «завербован» Джоном фон Нейманом для проведения расчетов ядерного синтеза. Это потребовало использования более 1 миллиона перфокарт. Физики из Лос-Аламоса полностью полагались на навыки программирования операторов — лишь они одни знали, как справляться с таким количеством операций.
Тем не менее, вклад женщин-программистов не получил ни признания, ни одобрения. Отчасти это было связано с тем, что программирование машин все еще было тесно связано с человеческими вычислениями, и поэтому считалось одним из видов «непрофессиональной» женской работы. Ведущие инженеры и физики были сосредоточены на проектировании и создании аппаратного обеспечения, которое они считали более важным для будущего вычислительной техники.
По этой причине, когда ENIAC был наконец представлен прессе в 1946 году, шесть женщин-операторов были скрыты от глаз публики. Это был рассвет холодной войны, и американские военные стремились продемонстрировать свое технологическое превосходство. Представляя ENIAC как автономную интеллектуальную машину, инженеры специально делали акцент на технологическом превосходстве компьютеров перед человеком.
Такая тактика связи с общественностью сработала, и она повлияла на освещение компьютерной тематики в СМИ в последующие десятилетия. В новостях о ENIAC, которые распространились по всему земному шару, машина заняла центральное место: ее называли «электронным мозгом», «волшебником» и «мозгом робота, созданным человеком».
Мало кто упомянул о тяжелой кропотливой работе шести женщин-операторов, которые ползали между проводами и вакуумными трубкам машины, чтобы дать возможность так называемому машинному интеллекту действовать во благо человечеству.
Читайте также: