Физики, математики и электронщики – создатели первых в мире ламповой вычислительной машины. Драматическая история взаимоотношений

В 1941 г. Сотрудники лаборатории баллистических исследований Абердинского артиллерийского полигона в США обратились в расположенную неподалеку техническую школу при Пенсильванском университете за помощью в составлении таблиц стрельбы для артиллерийских орудий с палуб военных кораблей, уповая на имевшийся в школе дифференциальный анализатор Буша – громоздкое механическое аналоговое вычислительное устройство. Однако, сотрудник школы физик Джон Моучли (1907-1986), увлекавшийся метеорологией и смастеривший для решения задач в этой области несколько простейших цифровых устройств на электронных лампах, предложил нечто иное.

Им было составлено (в августе 1942г.) и отправлено в военное ведомство США предложение о создании мощного компьютера (по тем временам) на электронных лампах. Эти, воистину исторические пять страничек были положены военными чиновниками под сукно, и предложение Моучли, вероятно, осталось бы без последствий, если бы им не заинтересовались сотрудники полигона. Они добились финансирования проекта, и в апреле 1943 г. Был заключен контракт между полигоном и Пенсильванским университетом на создание вычислительной машины, названной электронным цифровым интегратором и компьютером (ЭНИАК). На это отпускалось 400 тыс. долларов. К работе было привлечено около 200 человек, в том числе несколько десятков математиков и инженеров.

Руководителями работы стали Дж. Моучли и талантливый инженер-электронщик Преспер Эккерт (1919 – 1995). Именно он предложил использовать для машины забракованные военными представителями электронные лампы (их можно было получить бесплатно!). Учитывая, что требуемое количество ламп приближалось к 20 тысячам, а средства, выделенные на создание машины весьма ограничены, - это было мудрым решением. Он же предложил снизить напряжение накала ламп, что существенно увеличило надежность их работы. Напряженная работа завершилась в конце 1945 года. ЭНИАК (Electronic Numerical Integrator and Computor ) был предъявлен на испытания и успешно их выдержал. В начале 1946г. Машина начала считать реальные задачи. По размерам она была более впечатляющей, чем МАРК-1: 26 м в длину, 6 м в высоту, вес 35 тонн. Но поражали не размеры, а производительность – она в 1000 раз превышала производительность МАРК‑1! Таков был результат использования электронных ламп!

В остальном ЭНИАК мало чем отличался от МАРК-1. В нем использовалась десятичная система исчисления. Разрядность слов – 10 десятичных разрядов. Емкость электронной памяти – 20 слов. Ввод программ – с коммутационного поля перемещением штекеров между гнёздами ч вызывал массу неудобств: смена программы занимала многие часы и даже дни.

 

 

Рис. 2.21. Первая в мире действующая ЭВМ ENIAC

 

 

В 1945г., когда завершались работы по созданию ЭНИАК, и его создатели уже разрабатывали новый электронный цифровой компьютер ЭДВАК, в котором намеривались размещать программы в оперативной памяти, чтобы устранить основной недостаток ЭНИАКа – сложность ввода программ вычислений, к ним в Очестве консультанта был направлен выдающийся математик, участник Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы Джон фон Нейман (1903-1957). Фон Нейман легко и непринужденно чувствовал себя в любой обстановке, как на работе, так и в обществе. Он без всяких усилий переключался от математических теорий к компонентам вычислительной техники. По этой причине некоторые коллеги считали его «ученым среди ученых», своего рода «новым человеком», что, собственно, и означала его фамилия в переводе с немецкого.

Следует сказать, что разработчики машины, судя по всему, не просили этой помощи. Дж.Нейман, вероятно, сам проявил инициативу, услышав от своего приятеля Г.Голдстайна, математика, работавшего в военном ведомстве, об ЭНИАКе. Он сразу оценил перспективы развития новой техники и принял самое активное участие в завершении работ по созданию ЭДВАКа. Написанная им часть отчета по машине, содержала общее описание ЭДВАКа и основные принципы построения машины (1945г.).

Она была размножена Г.Голдстайном (без согласования с Дж. Моучли и П. Эккертом) и разослана в ряд организаций. В 1946г. Нейманом, Голдстайном и Берксом (все трое работали в Принстонском институте перспективных исследований) был составлен еще один отчет («Предварительное обсуждение логического конструирования устройства», июнь 1946г.), который содержал развернутое и детальное описание принципов построения цифровых электронных вычислительных машин. В том же году отчет был распространен на летней сессии Пенсильванского университета.

Изложенные в отчете принципы сводились к следующему (архитектура Неймана):

1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а двоичной системе исчисления.

2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.

3. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

· промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;

· числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.

4. Трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти.

5. Арифметическое устройство машины конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения, создание специальных устройств для выполнения других операций нецелесообразно.

6. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

Нельзя сказать, что перечисленные принципы построения ЭВМ были впервые высказаны Дж.Нейманом и остальными авторами. Их заслуга в том, что они, обобщив накопленный опыт построения цифровых вычислительных машин, сумели перейти от схемных (технических) описаний машин к их обобщенной логически ясной структуре, сделали важный шаг от теоретически важных основ (машина Тьюринга) к практике построения реальных ЭВМ. Имя Дж.Неймана привлекло внимание к отчетам, а высказанные в них принципы и структура ЭВМ получили название неймановских.

Под руководством Дж.Неймана в Принстонском институте перспективных исследований в 1952г. Была создана еще одна машина на электронных лампах МАНИАК (для расчетов по созданию водородной бомбы), а в 1954г. ещё одна, уже без участия Дж.Неймана. Последняя была названа в честь ученого «Джониак». К сожалению, всего три года спустя Дж.Нейман тяжело заболел и умер.

Дж. Моучли и П. Эккерт, обиженные тем, что в отчёте Принстонского университета они не фигурировали и выстраданное ими решение располагать программы в оперативной памяти (и не только это!) стали приписывать Дж.Нейману, а, с другой стороны, увидев, что многие, возникшие как грибы после дождя, фирмы стремятся захватить рынок ЭВМ, решили взять патенты на ЭНИАК, что и было сделано в 1947 г..

Однако в 1973 году после 20 – летнего (!) разбирательства в праве на этот патент им было отказано! Дотошные соперники разыскали информацию о том, что еще в 1938 – 1941 годах работавший в сельскохозяйственном училище штата Айова профессор математики Джон Атанасов (1903 -1996) вместе с аспирантом К. Бэрри, разработали макет специализированной цифровой вычислительной машины (с использованием двоичной системы счисления!) для решения систем алгебраических уравнений. Макет содержал 300 электронных ламп, имел память на конденсаторах. Блок управления был собран на электронных лампах и позволял осуществлять многократное по­разрядное сложение и вычитание чисел, хранящихся в конденсаторной памяти. Таким образом, пионером ламповой техники в области компьютеров оказался Атанасов! Однако, из-за недостатка средств и отсутствия заинтересованности со стороны академической среды Атанасову пришлось прервать эту работу. Из-за военной неразберихи не удались его попытки запатентовать своё изобретение.

К тому же Дж. Моучли, как выяснил суд, разбиравший (почти 20 лет!) дело по выдаче патента, оказывается, был знаком с работами Атанасова не понаслышке, а провел пять дней в его лаборатории, в дни создания макета.

Машина Атанасова оказала огромное влияние на развитие компьютерных технологий. Это был первый компьютер, в котором для операций с двоичными числами были применены электронные устройства (вакуумные трубки). Некоторые идеи Атанасова до сих пор остаются актуальными, например, использование конденсаторов в запоминающих устройствах с произвольной выборкой, в том числе в оперативной памяти, регенерация конденсаторов, разделение памяти и процесса вычислений

Что касается хранения программ в оперативной памяти и теоретического обоснования основных свойств современных компьютеров, то и здесь Дж. Моучли и П.Эккерт не были первыми. Еще в 1936г. Об этом сказал Алан Тьюринг (1912 – 1953) – гениальный, математик, опубликовавший тогда свою замечательную работу «О вычислимых числах» (в 24 года!).

Полагая, что наиболее важная черта алгоритма (задания на обработку информации) – это возможность механического характера его выполнения, А.Тьюринг предложил для исследования алгоритмов абстрактную машину, получившую название «машина Тьюринга». В ней он предвосхитил основные свойства современного компьютера. Данные должны были вводиться в машину с бумажной ленты, поделенной на клетки-ячейки. Каждая из них содержала символ или была пустой. Машина не только могла обрабатывать записанные на ленте символы, но и изменять их, стирая старые и записывая новые в соответствии с инструкциями, хранимыми в ее внутренней памяти. Для этого она дополнялась логическим блоком, содержащим функциональную таблицу, определяющую последовательность действий машины. Иначе говоря, А. Тьюринг предусмотрел наличие некоторого запоминающего устройства для хранения программы действий машины. Но не только этим определяются его выдающиеся заслуги.

В 1942 – 1943 годах, в разгар Второй мировой войны, в Англии, в обстановке строжайшей секретности с его участием в Блечли-парке под Лондоном была построена и успешно эксплуатировалась первая в мире специализированная цифровая вычислительная машина «Колоссус» на электронных лампах (2000 ламп!) для расшифровки секретных радиограмм немецких радиостанций. Она успешно справилась с поставленной задачей. Один из участников создания машины так оценил заслуги А.Тьюринга:»Я не хочу сказать, что мы выиграли войну благодаря Тьюрингу, но беру на себя смелость сказать, что без него мы могли ее и проиграть». После войны ученый принял участие в создании универсальной ламповой ЭВМ. Внезапная смерть на 41-м году жизни помешала реализовать в полной мере его выдающийся творческий потенциал. В память об А.Тьюринге в установлена премия его имени за выдающиеся работы в области математики и информатики. ЭВМ «Колоссус» восстановлена и хранится в музее местечка Блечли парк, где она была создана.

Однако, в практическом плане Дж.Мочли и П.Эккерт действительно оказались первыми, кто, поняв целесообразность хранения программы в оперативной памяти машины (независимо от А. Тьюринга), заложили это в реальную машину – свою вторую машину ЭДВАК. К сожалению ее разработка задержалась, и она была введена в эксплуатацию только в 1951г. В это время в Англии уже два года работала ЭВМ с хранимой в оперативной памяти программой! Дело в том, что в 1946 г. В разгар работ по ЭДВАК Дж.Моучли прочитал курс лекций по принципам построения ЭВМ в Пенсильванском университете. Среди слушателей оказался молодой ученый Морис Уилкс (родился в 1913г.) из Кембриджского университета, того самого, где сто лет назад Ч. Беббидж предложил проект цифровой машины с программным управлением. Вернувшись в Англию, талантливый молодой ученый сумел за очень короткий срок создать ЭВМ ЭДСАК (электронный компьютер на линиях задержки) последовательного действия с памятью на ртутных трубках с использованием двоичной системы исчисления и хранимой в оперативной памяти программой. В 1949 г. машина заработала! Так М. Уилкс оказался первым в мире, кто сумел создать ЭВМ с хранимой в оперативной памяти программой. В 1951г. Он же предложил микропрограммное управление операциями. ЭДСАК стал прототипом первой в мире серийной коммерческой ЭВМ ЛЕО (1953г.). Сегодня М. Уилкс – единственный из оставшихся в живых компьютерных пионеров мира старшего поколения, тех, кто создавал первые ЭВМ. Дж. Моучли и П. Эккерт пытались организовать собственную компанию, но ее пришлось продать из-за возникших финансовых затруднений. Их новая разработка – машина УНИВАК, предназначенная для коммерческих расчетов, перешла в собственность фирмы Ремингтон Рэнд и во многом способствовала ее успешной деятельности.

Хотя Дж. Моучли и П. Эккерт не получили патента на ЭНИАК, его создание стало, безусловно золотой вехой в развитии цифровой вычислительной техники, отмечающей переход от механических и электромеханических к электронным цифровым вычислительным машинам.

В 1996 г. По инициативе Пенсильванского университета многие страны мира отметили 50-летие информатики, связав это событие с 50-летием создания ЭНИАК. Для этого имелись многие основания – до ЭНИАКа и после ни одна ЭВМ не вызвала такого резонанса в мире и не имела такого влияния на развитие цифровой вычислительной техники как замечательное детище Дж. Мочли и П. Эккерта.

Во второй половине нашего века развитие технических средств пошло значительно быстрее. Еще стремительней развивалась сфера программного обеспечения, новых методов численных вычислений, теория искусственного интеллекта.