Анатомія корупції судової системи: або чому не вистачає грошей на зарплату працівникам апаратів судів
Наука и техника 2023.08.30
Польща надає стипендії українським ученим
Общество 2023.08.23
Новые «Пленки Тищенко»: скандальный депутат на заказ «кошмарит» call-центры
Происшествия 2023.08.23
Екс-власника мережі ресторанів «Tarantino» підозрюють у фінансуванні війни
Первому электронному компьютеру исполнилось 70 лет
ENIAC I был в тысячу раз производительнее тогдашних механических калькуляторов
14 февраля — это не только праздник влюблённых, но и знаменательная дата в истории развития компьютерной техники, так как именно в этот день в 1946 году широкой публике был представлен первый электронный компьютер — ENIAC I.
В этом году ему исполнилось уже 70 лет, в честь чего мы вспоминаем историю его создания, сообщают "Комментарии".
Во время Второй мировой войны баллистические таблицы для нужд Армии США составлялись преимущественно людьми с помощью арифмометров, но поскольку на расчёт одной траектории у одного человека уходило примерно 16 дней, а просчитывать приходилось тысячи таких траекторий, часть вычислений производилась на дифференциальном анализаторе, имевшимся в Институте Мура. Именно сотрудники этого института Джон Преспер Эккерт, работавший преподавателем, и Джон Уильям Мокли, бывший студентом того же учебного заведения, предложили построить электронную вычислительную машину с элементной базой на основе вакуумных ламп. Проект, хоть и не сразу, был одобрен, и в контракте получил название Electronic Numerical Integrator ("Электронный числовой интегратор"), к которому позднее добавили слово Computer, в результате чего и получилась аббревиатура ENIAC.
Полностью ENIAC I был готов только в 1945 году, а широкой общественности и журналистам его показали 14 февраля 1946 года. Компьютер состоял из 17 468 ламп, 7200 диодов, 1500 реле, 70 000 резисторов, 10 000 конденсаторов и почти 5 000 000 паянных вручную соединений. Он занимал площадь большой квартиры (167 м2), весил 27 тонн и потреблял более 150 кВт энергии, а устройством ввода и вывода данных для него служил табулятор перфокарт производства IBM.
ENIAC I был в тысячу раз производительнее тогдашних механических калькуляторов, так как имел частоту 100 кГц (1 импульс каждые 10 микросекунд) и выполнял до 5 000 операций сложения в секунду, тратя на каждую по одному вычислительному такту, состоявшему из 20 импульсов и занимавшему 200 микросекунд. На умножение требовалось в 14 раз больше времени — 2800 мкс, так как одна операция умножения заменялась 14 операциями сложения. Максимальная длина чисел при этом равнялась 20 разрядам.
По современным меркам ENIAC I был ненадёжен, так как из-за огромного числа радиоламп минимальная продолжительность его работы до очередной поломки составляла 20 часов. Но для того времени данный показатель был достижением, ставшим возможным благодаря пониженному напряжению на лампах (5,7 В вместо 6,3 В) и их "подогреву" даже в состоянии простоя с целью предотвратить большой перепад температур. Кроме того, даже за эти 20 часов ENIAC I выполнял столько вычислений, сколько предшественники были в состоянии осилить только за месяц.
Ввиду того, что к моменту создания ENIAC I Вторая мировая война уже была закончена, и потребность в быстрых расчётах баллистических таблиц отпала, первые программы для компьютера были связаны с изучением возможностей термоядерного оружия. Основное же значение проекта для всей компьютерной индустрии заключается в том, что с его помощью была доказана возможность создания полностью электронной машины и применения её для масштабных вычислений. В СССР, к примеру, разработка первой ЭВМ началась в 1948 году под руководством академика С.А. Лебедева, то есть через два года после презентации ENIAC.
История электронных компьютеров, часть 3: ENIAC
Второму проекту по созданию электронного компьютера, появившемуся в результате войны, как и «Колоссу», требовалось множество умов и рук для плодотворного воплощения. Но, как и «Колосс», он никогда бы не появился, не будь один-единственный человек одержим электроникой. В данном случае его звали Джон Моучли.
История Моучли переплетается загадочными и подозрительными путями с историей Джона Атанасова. Как вы помните, мы оставили Атанасова и его помощника Клода Берри, в 1942 году. Они бросили работу над электронным компьютером и занялись другими военными проектами. У Моучли было много общего с Атанасовым: они оба были профессорами физики в малоизвестных институтах, не обладавших престижем и авторитетам в широких академических кругах. Моучли томился в изоляции в качестве учителя крохотного Колледжа Урсинус в пригороде Филадельфии, у которого не было даже такого скромного престижа, как у штата Айова, где работал Атанасов. Никто из них не сделал ничего, чтобы привлечь внимание своих более элитарных собратьев из, скажем, Чикагского университета. Однако обеих захватила эксцентричная идея: построить вычислительную машину из электронных компонентов, тех же самых частей, из которых делали радио и телефонные усилители.
- История реле
Джон Моучли
Предсказывая погоду
Какое-то время у этих двух мужчин установилась определённая связь. Они встретились в конце 1940-х на конференции Американской ассоциации передовых наук (American Association for the Advancement Science, AAAS) в Филадельфии. Там Моучли выступал с презентацией своего исследования циклических закономерностей в погодных данных с использованием разработанного им самим электронного гармонического анализатора. Это был аналоговый компьютер (то есть, представлявший значения не в цифровом виде, а в виде физических величин, в данном случае, тока — чем больше тока, тем больше значение), схожий по работе с механическим предсказателем приливов, разработанным Уильямом Томсоном (позднее ставшим лордом Кельвином) в 1870-х.
Атанасов, сидевший в зале, знал, что нашёл товарища по одинокому путешествию в страну электронных вычислений, и не мешкая, подошёл к Моучли после его доклада, чтобы рассказать ему о машине, построенной им в Эймсе. Но чтобы понять, как вообще Моучли оказался на сцене со своей презентацией электронного погодного компьютера, необходимо вернуться к его корням.
Моучли родился в 1907-м в семье физика Себастьяна Моучли. Как и многие его современники, мальчиком он заинтересовался радио и электронными лампами, и колебался между карьерами инженера-электронщика и физика перед тем, как решил сконцентрироваться на метеорологии в Университете Джона Хопкинса. К несчастью, после выпуска он попал прямо в лапы Великой Депрессии, и был благодарен за получение работы в Урсинусе в 1934-м в качестве единственного члена физического факультета.
Колледж Урсинус в 1930-м
В Урсинусе он занялся проектом мечты — разгадать скрытые циклы глобальной природной машины, и научиться предсказывать погоду не на дни, а на месяцы и годы вперёд. Он был убеждён, что Солнце управляет погодным закономерностями, длящимися по нескольку лет, связанными с солнечной активностью и пятнам. Он хотел извлечь эти закономерность из огромного количества накопленных американским метеорологическим бюро данных при помощи студентов и набора настольных калькуляторов, приобретённых за гроши у обанкротившихся банков.
Вскоре стало ясно, что данных было слишком много. Машины не могли проводить вычисления достаточно быстро, а кроме того начали проявляться и человеческие ошибки при постоянном копировании промежуточных результатов машины на бумагу. Моучли начал думать над другим способом. Он знал о счётчиках на электронных лампах, впервые созданных Чарльзом Уинном-Уильямсом, которые его коллеги-физики использовали для подсчёта субатомных частиц. Учитывая, что электронные устройства очевидно могли записывать и накапливать числа, Моучли заинтересовался, почему бы им не выполнять более сложные вычисления? Несколько лет в своё свободное время он игрался с электронными компонентами: переключателями, счётчиками, машины для подстановочных шифров, использовавшие смесь из электронных и механических компонентов, и гармонический анализатор, применённый им для проекта предсказания погоды, извлекавший данные, похожие на многонедельные закономерности колебаний уровня осадков. Именно это открытие и привело Моучли на AAAS в 1940-м, а затем и Атанасова к Моучли.
Визит
Ключевое событие взаимоотношений Моучли и Атанасова произошло шесть месяцев спустя, в начале лета 1941. В Филадельфии Атанасов рассказал Моучли по поводу построенного им в Айове электронного компьютера, и упомянул, насколько дёшево он ему обошёлся. В их последующей переписке он продолжал делать интригующие намёки по поводу того, как он построил свой компьютер стоимостью не более $2 на один разряд. Моучли заинтересовался и был весьма удивлён таким достижением. К тому времени он уже вынашивал серьёзные планы по постройке электронного калькулятора, но без поддержки колледжа ему пришлось бы платить за всё оборудование из своего кармана. За одну лампу обычно просили $4, а для хранения одной двоичной цифры требовалось минимум две лампы. Как же, думал он, Атанасову удалось так неплохо сэкономить?
Через шесть месяцев у него, наконец, появилось время съездить на запад для удовлетворения своего любопытства. После полутора тысяч километров в автомобиле, в июне 1941 Моучли с сыном приехали в гости к Атанасову в Эймс. Моучли потом рассказывал, что уехал он разочарованным. Дешёвое хранилище данных Атанасова было совсем не электронным, а держалось при помощи электростатических зарядов на механическом барабане. Из-за этого и из-за других механических частей, как мы уже видели, он не мог проводить вычисления на скоростях, даже приближающихся к тем, о которых мечтал Моучли. Позже он назвал это «механической безделушкой, использовавшей несколько электронных ламп». Однако вскоре после визита он написал письмо, восхваляющее машину Атанасова, где писал, что она была «электронная по сути, и решала всего за несколько минут любую систему линейных уравнений, включавшую не более тридцати переменных». Он утверждал, что она могла бы быть быстрее и дешевле чем механический дифференциальный анализатор Буша.
Через тридцать лет отношения Моучли и Атанасова станут ключевыми в судебном споре Honeywell против Sperry Rand, в результате которого заявки на патенты на созданный Моучли электронный компьютер были аннулированы. Не говоря ничего о заслугах самого патента, несмотря на то, что Атанасов был более опытным инженером, и учитывая подозрительное мнение Моучли о компьютере Атанасова, высказанное задним числом, нет никаких причин подозревать, что Моучли узнал или скопировал что-то важное с работы Атанасова. Но что более важно, схема ENIAC не имеет ничего общего с компьютером Атанасова-Берри. Максимум, что можно заявить, это что Атанасов подстегнул уверенность Моучли, доказав возможность того, что электронный компьютер может работать.
Школа Мура и Абердин
А в это время Моучли оказался на том же месте, с которого и начинал. Не существовало волшебного фокуса для дешёвого электронного хранения, и пока он оставался в Урсинусе, у него не было средств воплотить электронную мечту в жизнь. И потом ему повезло. Тем же летом 1941 года он обучался на летнем курсе по электронике в Инженерной школе Мура при Пенсильванском университете. К тому времени Франция уже была оккупирована, Британия была в осаде, подводные лодки бороздили Атлантику, и отношения Америки с агрессивной экспансионистской Японией быстро ухудшались [а гитлеровская Германия напала на СССР / прим. перев.]. Несмотря на изоляционистские настроения среди населения, американская интервенция казалась возможной, а, вероятно, и неизбежной, элитарным группам из таких мест, как Пенсильванский университет. Школа Мура предлагала курс по повышению квалификации инженеров и учёных для ускорения подготовки к возможной военной работе, особенно по теме радарных технологий (у радара есть сходные с электронными вычислениями особенности: он использовал электронные лампы для создания и подсчёта количества высокочастотных импульсов и интервалов времени между ними; однако впоследствии Моучли отрицал наличие серьёзного влияния радаров на разработку ENIAC).
Инженерная школа Мура
Курс привёл к двум главным последствиям для Моучли: во-первых, связал его с Джоном Преспером Эккертом по прозвищу Прес, из местной семьи магнатов недвижимости, и молодого кудесника электроники, проводившего все свои дни в лаборатории телевизионного пионера Фило Фарнсуорта. Позже Эккерт разделит патент (который затем признают недействительным) на ENIAC с Моучли. Во-вторых, это обеспечило Моучли место в Школе Мура, закончив его долгую академическую изоляцию в болоте колледжа Урсинус. Это, судя по всему, произошло не из-за каких-то особых заслуг Моучли, но просто потому, что школа отчаянно нуждалась в людях на замену учёным, ушедшим работать над военными заказами.
Но к 1942-му году большая часть школы Мура сама стала работать над военным проектом: подсчётом баллистических траекторий при помощи механической и ручной работы. Этот проект органично вырос из существовавшей связи между школой и Абердинским испытательным полигоном, находившимся в 130 км дальше по побережью, в Мэриленде.
Полигон был создан во время Первой Мировой войны для проверки артиллерии, на замену предыдущего полигона в Сэнди-Хук, Нью-Джерси. Кроме непосредственных стрельб, его задача состояла в подсчёте огневых таблиц, используемых артиллерией в бою. Сопротивление воздуха не позволяло подсчитать место приземления снаряда, просто решив квадратное уравнение. Тем не менее высокая точность была чрезвычайно важна для артиллерийского огня, поскольку именно первые выстрелы заканчивались наибольшим поражением сил противника — после них противник быстро скрывался под землёй.
Для достижения такой точности современные армии составляли подробные таблицы, сообщавшие стрелкам, как далеко приземлится их снаряд после выстрела под определённым углом. Составители использовали начальную скорость и расположение снаряда для подсчёта его расположения и скорости через небольшой интервал времени, а потом повторяли те же подсчёты для следующего интервала, и так далее, сотни и тысячи раз. Для каждой комбинации пушки и снаряда такие расчёты нужно было проводить для всех возможных углов стрельбы, учитывая различные атмосферные условия. Счётная нагрузка была такой большой, что в Абердине закончили расчёты всех таблиц, начатые по завершению Первой Мировой, только к 1936-му году.
Очевидно, Абердину требовалось решение получше. В 1933 году он заключил договор со школой Мура: армия оплатит постройку двух дифференциальных анализаторов, аналоговых компьютеров, созданных по схеме из MIT под руководством Вэневара Буша. Один отправят в Абердин, а другой останется в распоряжении школы Мура и будет использоваться по усмотрению профессуры. Анализатор мог за пятнадцать минут построить траекторию, на подсчёты которой у человека ушло бы несколько дней, хотя точность расчётов компьютера была немного ниже.
Демонстрация гаубицы в Абердине, ок. 1942
Однако в 1940-м исследовательское подразделение, называвшееся теперь Баллистической исследовательской лабораторией (Ballistic Research Laboratory, BRL), затребовало свою машину, стоявшую в школе Мура, и начало расчёты артиллерийских таблиц для надвигающейся войны. Счётную группу школы также привлекли для поддержки машины при помощи людей-вычислителей. К 1942 году 100 женщин-вычислителей в школе работали по шесть дней в неделю, перемалывая расчёты для войны — среди них была и жена Моучли, Мэри, работавшая над огневыми таблицами Абердина. Моучли сделали начальником над другой группой вычислителей, работавшей над расчётами для радарных антенн.
Со дня прибытия в школу Мура, Моучли продвигал свою идею электронного компьютера по всему факультету. У него уже была значительная поддержка в лице Преспера Эккерта и Джона Брэйнерда, старшего члена факультета. Моучли предоставлял идею, Эккерт — инженерный подход, Брэйнерд — убедительность и законность. Весной 1943 эта тройка решила, что пришло время прорекламировать давно зревшую идею Моучли армейским чинам. Но загадкам климата, которые тот давно пытался разгадать, пришлось подождать. Новый компьютер должен был служить потребностям нового хозяина: отслеживать не вечные синусоиды глобальных температурных циклов, а баллистические траектории артиллерийских снарядов.
ENIAC
В апреле 1943 Моучли, Эккерт и Брэйнерд сделали черновик «Отчёта по электронному дифференциальному анализатору». Это привлекло в их ряды ещё одного союзника, Германа Голдстайна, математика и армейского офицера, служившего посредником между Абердином и школой Мура. С помощью Голдстайна группа представила идею комитету в BRL, и получила военный грант, с Брэйнердом в качестве научного руководителя проекта. Им нужно было закончить создание машины к сентябрю 1944 года с бюджетом в $150 000. Команда назвала проект ENIAC: Electronic Numerical Integrator, Analyzer and Computer (Электронный числовой интегратор и вычислитель).
Слева направо: Джулиан Бигелоу, Герман Голдстайн, Роберт Оппенгеймер, Джон фон Ньюман. Фото сделано в Принстонском институте передовых исследований после войны, с более поздней моделью компьютера
Как и в случае с «Колоссом» в Британии, авторитетное инженерное начальство в США, например, Комитет исследований по национальной обороне (National Defense Research Committee, NDRC) отнеслось к проекту ENIAC скептически. У школы Мура не было репутации элитного учебного заведения, однако же она предложила создать нечто неслыханное. Даже у таких индустриальных гигантов, как RCA, с трудом получалось создавать относительно простые электронные счётные схемы, не говоря уже о настраиваемом электронном компьютере. Джордж Стибиц, архитектор релейных компьютеров в лаборатории Белла, работавший тогда в проекте NDRC, считал, что на создание ENIAC уйдёт слишком много времени для того, чтобы он пригодился в войне.
В этом он оказался прав. На создание ENIAC уйдёт в два раза больше времени и в три раза больше средств, чем планировалось вначале. Он высосал основательную часть человеческих ресурсов школы Мура. На одну только разработку потребовалось привлечь ещё семерых человек, в дополнение к начальной группе Моучли, Эккерта и Брэйнерда. Как и «Колосс», ENIAC привлёк множество людей-вычислителей для помощи в настройке их электронной замены. Среди них были и жена Германа Голдстайна Адель, и Джин Дженнингс (позже Бартик), которым впоследствии предстоит важная работа по разработке компьютеров. Литеры NI в названии ENIAC предполагали, что школа Мура даёт армии цифровую, электронную версию дифференциального анализатора, который решал бы интегралы для траекторий быстрее и точнее своего аналогового механического предшественника. Но в результате у них получилось нечто гораздо большее.
Часть идей проекта могла быть позаимствована из предложения 1940 года, сделанного Ирвеном Трэвисом. Именно Трэвис участвовал в подписании договора на использование школой Мура анализатора в 1933 году, а в 1940-м он предложил улучшенную версию анализатора, хотя и не электронного, но работавшего на цифровом принципе. Он должен был использовать механические счётчики вместо аналоговых колёс. К 1943 году он ушёл из школы Мура и занял пост в руководстве флотом в Вашингтоне.
Основа возможностей ENIAC, опять-таки, как и у «Колосса», заключалась в разнообразии функциональных модулей. Чаще всего использовались аккумуляторы для сложения и подсчёта. Их схема была взята от электронных счётчиков Уинна-Уильямса, использовавшихся физиками, и они буквально занимались сложением при помощи счёта, так, как дошколята считают на пальцах. Другие функциональные модули включали умножители, генераторы функций, искавшими данные в таблицах, что заменяло подсчёт более сложных функций типа синуса и косинуса. Каждый модуль обладал собственными программными настройками, при помощи которых задавалась небольшая последовательность операций. Как и у «Колосса», программирование осуществлялось при помощи комбинации панели с переключателями и похожих на телефонные коммутаторы панели с гнёздами.
У ENIAC было несколько электромеханических частей, в частности, релейный регистр, служивший буфером между электронными аккумуляторами и перфораторными машинами от IBM, использовавшимися для ввода и вывода. Эта архитектура очень напоминала «Колосс». Сэм Уильямс из лабораторий Белла, сотрудничавший с Джорджом Стибицем на создании релейных компьютеров Белла, также построил регистр для ENIAC.
Ключевое отличие от «Колосса» сделало ENIAC более гибкой машиной: возможность программировать главные настройки. Главное программируемое устройство отправляло импульсы функциональным модулям, вызывавшие запуск предварительно установленных последовательностей, и получало ответные импульсы по завершению работы. Затем оно переходило на следующую операцию в главной управляющей последовательности, и выдавало нужные расчёты в виде функции множества более мелких последовательностей. Главное программируемое устройство могло принимать решения при помощи шагового двигателя: кольцевого счётчика, определявшего, на какую из шести выходных линий перенаправить импульс. Таким способом устройство могло выполнять до шести различных функциональных последовательностей в зависимости от текущего состояния шагового двигателя. Такая гибкость позволит ENIAC решать задачи, весьма далёкие от его первоначальной компетенции в области баллистики.
Настройка ENIAC при помощи переключателей и коммутаторов
Эккерт отвечал за то, чтобы вся электроника в этом чудовище жужжала и гудела, и он самостоятельно придумал те же самые основные хитрости, что и Флауэрс в Блетчли: лампы должны работать на токах, гораздо меньших штатных, и машину не надо выключать. Но из-за огромного количества используемых ламп требовалась ещё одна хитрость: подключаемые модули, на каждом из которых монтировалось несколько десятков ламп, можно было легко вынимать и заменять в случае их отказа. Затем обслуживающий персонал без спешки находил и заменял отказавшую лампу, а ENIAC был сразу готов к работе. И даже со всеми этими предосторожностями, учитывая огромное количество ламп в ENIAC, он не мог заниматься расчётами задачи все выходные или всю ночь, как это делали релейные компьютеры. В какой-то момент обязательно перегорала лампа.
Пример множества ламп в ENIAC
Отзывы об ENIAC часто упоминают его огромные размеры. Ряды стеллажей с лампами — всего их было 18 000 штук — переключателями и коммутаторами заняли бы типичный загородный дом и лужайку перед ним в придачу. Его размер был обусловлен не только его компонентами (лампы были относительно крупными), но и странной архитектурой. И хотя все компьютеры середины века по современным понятиям кажутся крупными, следующее поколение электронных компьютеров было гораздо меньше ENIAC, и обладало большими возможностями при использовании одной десятой части электронных компонентов.
Панорама ENIAC в школе Мура
Гротескный размер ENIAC проистекал из двух основных проектировочных решений. Первое стремилось увеличить потенциальную скорость за счёт стоимости и сложности. После этого практически все компьютеры хранили числа в регистрах, а обрабатывали их в отдельных арифметических модулях, снова сохраняя результаты в регистре. ENIAC не отделял модули хранения и обработки. Каждый модуль хранения чисел одновременно был и обрабатывающим модулем, способным складывать и вычитать, из-за чего требовал гораздо больше ламп. Его можно было рассматривать как сильно ускоренную версию отдела людей-вычислителей в школе Мура, поскольку «его вычислительная архитектура напоминала двадцать людей-вычислителей, работающих с десятизначными настольными калькуляторами, передающих результаты вычислений туда и сюда». В теории это позволяло ENIAC проводить параллельные вычисления на нескольких аккумуляторах, но эту возможность использовали мало, а в 1948 году и вовсе устранили.
Второе проектировочное решение оправдать сложнее. В отличие от ABC или релейных машин Белла, ENIAC не хранил числа в двоичном виде. Он переводил десятичные механические вычисления прямо в электронный вид, с десятью триггерами на каждую цифру — если горел первый, это был ноль, второй — 1, третий — 2, и т.п. Это был огромный расход дорогих электронных компонентов (к примеру, для представления числа 1000 в двоичном виде требуется 10 триггеров, по одному на двоичную цифру (1111101000); а в схеме ENIAC для этого требовалось 40 триггеров, по десять на десятичную цифру), который, судя по всему, был организован только из-за страха возможных сложностей преобразования между двоичной и десятичной системами. Однако же компьютер Атанасова-Берри, «Колосс», и релейные машины Белла и Цузе использовали двоичную систему, и у их разработчиков не было никаких сложностей с преобразованием между основаниями.
Такие дизайнерские решения повторять никто не будет. В этом смысле ENIAC был похож на ABC — уникальная диковинка, а не шаблон для всех современных компьютеров. Однако же его преимущество было в том, что он доказал, вне всяких сомнений, работоспособность электронных компьютеров, выполняя полезную работу, и решая реальные задачи с удивительной для окружающих скоростью.
Реабилитация
К ноябрю 1945 года ENIAC полностью функционировал. Он не мог похвастаться такой же надёжностью, как его электромеханические родственники, но он был достаточно надёжным для того, чтобы использовать своё преимущество в скорости в несколько сотен раз. Расчёт баллистической траектории, на который у дифференциального анализатора уходило пятнадцать минут, ENIAC мог провести за двадцать секунд — быстрее, чем летит сам снаряд. И в отличие от анализатора, он мог делать это с той же точностью, что и человек-вычислитель, использующий механический калькулятор.
Однако, как предсказывал Стибиц, ENIAC появился слишком поздно для того, чтобы помочь в войне, и расчёт таблиц уже не требовался так срочно. Но в Лос-Аламосе в Нью-Мексико шёл проект разработки секретного оружия, который продолжался и после войны. Там тоже требовалось много расчётов. Один из физиков Манхэттенского проекта, Эдвард Теллер, ещё в 1942 году загорелся идеей «супероружия»: гораздо более разрушительного, чем то, что позже сбрасывали на Японию, с энергией взрыва, поступавшей от атомного синтеза, а не от деления ядер. Теллер считал, что он сможет запустить цепную реакцию синтеза в смеси дейтерия (обычный водород с дополнительным нейтроном) и трития (обычный водород с двумя дополнительными нейтронами). Но для этого нужно было обойтись низким содержанием трития, поскольку он был чрезвычайно редким.
Поэтому учёный из Лос-Аламоса привёз в школу Мура подсчёты для проверки супероружия, в которых необходимо было рассчитывать дифференциальные уравнения, моделировавшие зажигание смеси дейтерия и трития для различных концентраций трития. Ни у кого в школе Мура не было разрешения на то, чтобы узнать, для чего велись эти расчёты, но они покорно ввели все данные и уравнения, привезённые учёным. Детали расчётов остаются секретными и по сей день (как и вся программа по постройке супероружия, сегодня более известного, как водородная бомба), хотя нам известно, что Теллер счёл полученный в феврале 1946 года результат расчётов подтверждением жизнеспособности его идеи.
В том же месяце школа Мура представила ENIAC общественности. Во время обряда открытия перед собравшимися важными шишками и прессой операторы притворились, что включают машину (хотя она, конечно, всегда была включена), провели на ней несколько церемониальных подсчётов, вычислив баллистическую траекторию, чтобы продемонстрировать небывалую скорость электронных компонентов. После этого работники раздали пробитые перфокарты с этих расчётов всем присутствующим.
ENIAC продолжал решать несколько более реальных проблем весь 1946-й год: набор подсчётов по потоку жидкостей (например, для обтекания крыла самолёта) для британского физика Дугласа Хартри, ещё один набор расчётов для моделирования имплозии ядерного оружия, подсчёты траекторий для новой девяностомиллиметровой пушки в Абердине. Затем он замолчал на полтора года. В конце 1946-го, по договору школы Мура с армией, BRL упаковал машину и перевёз её на полигон. Там она постоянно страдала от проблем с надёжностью, и команда BRL не смогла заставить её работать достаточно хорошо для того, чтобы она выполняла какую-то полезную работу, вплоть до крупной модернизации, закончившейся в марте 1948. О модернизации, полностью обновившей ENIAC, мы поговорим больше в следующей части.
Но это уже не имело значения. Никому не было дела до ENIAC. Уже шла гонка по созданию его преемника.
Шесть девушек и один компьютер
15 февраля 1946 года в Пенсильванском университете состоялось торжественное открытие ЭНИАКа — первого в истории компьютера. Его создатели Джон Преспер Эккерт и Джон Уильям Мокли считаются отцами современного компьютера. А вот девушки, которые программировали ЭНИАК, оказались почти забыты. В День ЭНИАКа восстанавливаем справедливость и рассказываем о шести девушках, создавших программирование.
Оксфордский словарь английского языка датирует первое упоминание слова computer 1613 годом. Конечно, речь идет не о вычислительной машине, а о человеке, производящем расчеты (в русском языке таких людей называли счетчиками и вычислителями). До середины 20 века компьютерами были люди. Вооруженные бумагой и карандашом, они рассчитывали пути небесных тел и статистику переписей населения, навигационные и логарифмические таблицы.
К концу 19 века расчетов, которые нужно было производить, стало слишком много. Одновременно с этим женщины начали получать научное образование, в том числе в области математики. Из-за предубеждений они почти не могли работать по специальности. А вот на работу вычислителей их нанимали с радостью. Например, к 1880 году в обсерватории Гарвардского университета все расчеты вели женщины. Созданная астрономом Эдуардом Пикерингом команда «гарвардских вычислителей» (Harvard Computers) классифицировала звезды, издавала звездные каталоги и участвовала в открытии Плутона.
Во время Второй мировой войны у американской армии резко увеличилась потребность в расчетах. Чтобы выпущенный из орудия снаряд попал в цель, орудие необходимо на нее навести. Однако на точность наводки и траекторию снаряда влияет очень много факторов: расстояние до цели и ее скорость, высота над уровнем моря, температура и влажность воздуха, ветер.
Каждый фактор вносит искажение, которое необходимо учесть при наводке. К счастью, необходимую корректировку для разных факторов можно заранее вычислить. Но работа по расчету таблиц была невероятно сложна. Даже в самых простых случаях нужно было рассчитать от двух до четырех тысяч траекторий. При этом расчет одной траектории занимал порядка трех рабочих дней.
Расчетами баллистических таблиц занимались и в Электротехнической школе Мура Пенсильванского университета. Работой были заняты десятки вычислителей, по большей части девушек, вооруженных механическими счетными машинами. Труд девушек использовался по двум причинам: мужчины были нужны на фронте, и девушкам можно было меньше платить.
К тому времени идея автоматической вычислительной машины не была новой. Еще в первой половине 19 века Чарльз Бэббидж попытался построить полностью механически компьютер — «аналитическую машину». В 1940-х годах вычислительные машины, более или менее напоминающие современный компьютер, строили Джон Атанасов и Клиффорд Берри, Конрад Цузе, Говард Айкен.
8 апреля 1943 года ученые из Электротехнической школы Мура Пенсильванского университета Джон Преспер Эккерт и Джон Уильям Мокли предложили Лаборатории баллистических исследований Армии США создать вычислительную машину, которая могла вычислять баллистические таблицы.
У проекта Эккерта и Мокли были два ключевых отличия от других проектов вычислительных машин: их машина была электронной, а не электромеханической; и ее можно было программировать, то есть программа не была заложена в аппаратное обеспечение машины.
Не то, чтобы идея электронной вычислительной машины не появлялась раньше: в 1938 году Конрад Цузе и Гельмут Шреер предложили создать компьютер из двух тысяч радиоламп. Коллеги подняли их на смех: радиолампы потребляют много энергии, часто перегорают и не отличаются прочностью. Но Эккерт и Мокли понимали, что электронная машина будет намного быстрее, чем электромеханическая.
Армия США выделила финансирование, и 31 мая 1943 года был заложен электронный числовой интегратор и вычислитель — ЭНИАК (Electronic Numerical Integrator and Computer). В группу конструкторов кроме Эккерта и Мокли вошли Томас Шарплесс, Роберт Шоу, Джеффри Чу, Джек Дэвис, Гарри Хаски и Артур Беркс. Проект консультировал великий математик Джон фон Нейман, в честь которого названа компьютерная архитектура фон Неймана.
Работа шла медленно. Постройка ЭНИАКа была закончена только к весне 1945 года. Но собрать «железо» было мало, требовалось еще и научить машину считать.
Пока инженеры строили ЭНИАК, девушки продолжали вычислять баллистические таблицы. Эккерт и Мокли поняли, эти девушки, хорошо знающие математику и умеющие работать с механическими счетными машинами, смогут помочь и наладить работу электронного компьютера.
Они обратились к Адели и Герману Голдстейнам, супружеской паре математиков, которые курировали работу девушек-вычислителей. С их помощью нашли шесть самых способных девушек, которых и пригласили работать с ЭНИАКом. Одна из них отказалась, но ей быстро нашли замену. Так сложилась «Шестерка ЭНИАКа» (ENIAC Six):
- Джин Дженнингс
- Кэтлин Макналти
- Бетти Холбертон
- Рут Тейтельбаум
- Мэрлин Мельцер
- Франсис Спенс
В это время ЭНИАК был засекреченным военным проектом. Девушек даже не пускали в помещение, где стоял компьютер. Их работа началась с изучения чертежей и диаграмм. Так как ЭНИАК был первым компьютером, который можно было запрограммировать, никаких учебников по работе с ним не было. Девушкам пришлось с нуля изобрести программирование.
К завершению постройки в мае 1945 года ЭНИАК представлял собой нечто невероятное. Компьютер занимал площадь в 167 м2 и весил больше 27 тонн. Он состоял из 17 500 электронных ламп, 7000 полупроводниковых диодов, 1500 реле, 70 000 сопротивлений и 10 000 конденсаторов.
ЭНИАК состоял из отдельных блоков, которые отвечали за память, вычисления, ввод и вывод результатов. Эти блоки были соединены двумя видами связей — для инструкций и для чисел. Фактически ЭНИАК представлял собой набор отдельных устройств, связанных между собой. Для каждой новой задачи приходилось изменять последовательность их соединения, как бы создавая новый компьютер.
Чтобы «запрограммировать» ЭНИАК, нужно было с помощью физических проводов и переключателей соединить разные части компьютера в нужном порядке. Расчеты, которые у людей-вычислителей занимали часы, ЭНИАК выполнял за секунды — но на программирование могли требоваться дни.
Историк Кэти Клейман пишет: «Им (программистам) нужно было найти каждую величину, направить ее в соответствующий блок, например, умножитель или “извлекатель квадратного корня”, а затем перенести результат — с помощью физического провода — в другой блок для хранения».
Но девушки-программисты справлялись со сложными задачами. Бетти Холбертон особенно хорошо умела решать такие задачи… во сне! Ее коллега Джин Дженнигс (в замужеств Бартик) вспоминала:
«У Бетти был замечательно логический склад ума, она решала больше задач во сне, чем многие люди — бодрствуя».
Еще одной особенностью ЭНИАКа была его ненадежность. Как предсказывали немецкие ученые, отвергшие проект Конрада Цузе, электронные лампы перегревались и перегорали. Поначалу это случалось почти каждый день, так что половину рабочего времени занимал ремонт. С этим девушки тоже научились бороться — иногда приходилось забираться внутрь машины, чтобы заменить испорченную лампу. «Так как мы знали и задачу, и машину, мы научились находить неисправности не хуже инженеров, а может и лучше», — вспоминала Джин Бартик. Благодаря усилиям девушек и новым, более надежным лампам, в 1954 году был поставлен рекорд — ЭНИАК проработал без поломок 116 часов.
Испытания ЭНИАКа начались в мае 1945 года. С окончанием войны нужда в баллистических таблицах отпала, зато возникла другая задача — компьютер начал моделировать взрыв термоядерной бомбы. Тогда же руководитель математического отдела Бюро научных исследований и развития Уоррен Уивер попросил Джона Брайндера, руководителя проекта по созданию ЭНИАКа, написать отчет об ЭНИАКе и другом компьютере, ЭДВАКе. Этот секретный отчет был закончен 30 ноября 1945 года. Он содержал первое описание ЭНИАКа и принципов его программирования.
О важной роли Уоррена Уивера в создании машинного перевода можно прочесть в другой нашей статье
Испытания закончились 10 декабря 1945 года, когда ЭНИАК начали использовать для прикладных расчетов. Физик Дуглас Хартри решал на ЭНИАКе проблему обтекания воздухом крыла сверхзвукового самолета, Джон фон Нейман вычислял числа π и e и, вместе с командой метеорологов, сделал первый в истории численный прогноз погоды (вычисления прогноза на следующие 24 часа заняли… 24 часа).
После окончания войны американская армия приняла решение рассекретить ЭНИАК. 1 февраля 1946 года состоялась пресс-конференция, а 14 февраля работа компьютера была впервые показана журналистам. Старший инженер Артур Беркс продемонстрировал, что компьютер способен сложить пять тысяч числе за одну секунду, а вычисление траектории снаряда занимает меньше времени, чем полет снаряда до цели.
15 февраля состоялось торжественное открытие ЭНИАКа и парадный обед. Девушки, создавшие программирование, ни на церемонию, ни на обед приглашены не были.
В июле 1946 года Армия США завершила приемку ЭНИАКа. Через год компьютер отправили на Абердинский испытательный полигон. За ним последовали Кэтлин Макналти, Рут Тейтельбаум и Франсис Спенс. После нескольких обновлений ЭНИАК успешно работал, пока не был в последний раз остановлен в 23:45 2 октября 1955 года.
Тогда же Джон Преспер Эккерт и Джон Уильям Мокли ушли из Пенсильванского университета и основали свою компанию. В 1951 году они выпустили UNIVAC — первый в США компьютер, который можно было купить.
К тому времени Кэтлин Макналти вышла замуж за Мокли. Она принимала участие в работе над программным обеспечением компьютеров BINAC и UNIVAC. Вместе с ней трудилась и Джин Бартик (она вышла замуж за инженера Уильяма Бартика). А Рут Тейтельбаум стала одним из первых преподавателей программирования — она обучала новичков работе с ЭНИАКом.
Бетти Холбертон оказалась еще теснее связана с развитием компьютеров. Помимо работы над UNIVAC, она вместе со знаменитой Грейс Хоппер создавала языки программирования Кобол и Фортран. В 1997 году она единственной из всех «шестерки ЭНИАКа» получила Приз Августы Ады Лавлейс, названный в честь соратницы Чарльза Бэббиджа и первого в истории программиста.
Признание и слава все же пришли к девушкам ЭНИАКа. В 1997 году все шестеро были включены в международный Зал славы женщин в технике. Сегодня три суперкомпьютера Армии США называются Джин, Кей и Бетти — в честь Джин Бартик, Кэтлин Макналти и Бетти Холбертон. В 2010 году вышел фильм Top Secret Rosies: The Female «Computers» of WWII, который рассказывал о работе девушек от вычисления баллистических таблиц до программирования ЭНИАКа.
Историк и сооснователь ICANN Кэти Клейман много сделала для того, чтобы отдать должное «шестерке ЭНИАКа». На основе многочасовых интервью с четырьмя из шести программисток она в 2014 году создала фильм The Computers: The Remarkable Story of the ENIAC Programmers, а в 2022 году выпустила книгу Proving Ground: The Untold Story of the Six Women Who Programmed the World’s First Modern Computer.
Первая патентная война, или Кто изобрел компьютер
14 февраля 1946 года в университете штата Пенсильвания состоялось торжественное открытие одного из первых в мире компьютеров – ENIAC (что расшифровывалось как «Электронный числовой интегратор и вычислитель»). Событие достаточно необычное для того времени: крайне немногочисленные ЭВМ сороковых годов разрабатывались, как правило, с прицелом на военные нужды, и сам факт их существования оставался неизвестным не только широкой публике, но иногда даже и другим ученым и инженерам, работающим в области электротехники. А потому имя нынешнего 66-летнего именинника и стало для многих синонимом первого в истории компьютера.
Детям из Мариуполя нужно 120 ноутбуков для обучения — подари старое «железо», пусть оно работает на будущее Украины
Один из блоков первого (с очевидными оговорками) компьютера на выставке в своей Alma Mater
Созданный Джоном Вильямом Мокли (1907–1980) и Джоном Преспером Эккертом (1919–1995) компьютер был построен полностью на вакуумных лампах, которых насчитывалось 17468 штук (кроме того, в его составе было 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70 тыс. резисторов и 10 тыс. конденсаторов). Потребляемая мощность составляла 150 кВт, за секунду ЭНИАК мог выполнять 300 операций умножения или 5 тыс. операций сложения. Вся конструкция весила 27 тонн и занимала целую комнату, а обошлась заказчику – естественно, Министерству обороны, – в 500 тысяч долларов (или 6 млн. по сегодняшнему курсу).
С программированием, правда, дело обстояло не очень радужно, оно предполагало коммутацию кабелей и переключателей, которая осуществлялась вручную: сначала требовалось перевести в нужное положение 6 тысяч переключателей, а затем еще и подключить кабели. В результате иногда уходило целых два дня на то, чтобы запрограммировать задачу, которая просчитывалась машиной всего за 20 секунд.
Дж. Преспер Эккерт (в центре слева) и Джон Мокли (у колонны) возле блока управления ENIAC
Тем не менее, все эти сложности не помешали ENIAC успешно трудиться на армейские нужды – в расчетах баллистических таблиц, а также и в деле создания водородной бомбы. В 1946–1947 годах компьютер был «закрыт на апгрейд», добавивший ему мощности и памяти – было установлено довольно простое устройство хранения программы в режиме read only, значительно упростившее процедуру переключения кабелей. Компьютер проработал без сбоев до окончательного выключения 2 октября 1955 г. Для энтузиастов и историков программирования имеется даже онлайн-эмулятор ENIAC.
А что касается вопроса о первенстве, то, по сути дела, ENIAC действительно был первым – но со множеством оговорок: первый в мире электронный, широкомасштабный, цифровой компьютер общего назначения, который можно было с некоторым трудом, но перепрограммировать. От своих известных старших братьев пенсильванская ЭВМ отличалась скорее количественно – мощностью, универсальностью и масштабами, а не чем-то принципиально новым в архитектуре. Немецкий Z3 Конрада Цузе (1941 г.) был и цифровым, и универсальным, и даже программируемым (при помощи перфорированной кинопленки), но относился к классу не электронных, а электромеханических устройств, поскольку все его функции были реализованы на основе реле. Английский Colossus Mark 1 (1944 г.), в свою очередь, был цифровым и полностью электронным, но не мог похвастаться широтой назначения, так как предназначался исключительно для взлома немецких радиошифров.
Реконструкция гораздо более скромного на вид Z3 (оригинал, вместе с Z1 и Z2, погиб при бомбежке Берлина в 1944 году)
Казалось бы, изобретение компьютера так и войдет в историю, как дело рук сразу нескольких выдающихся ученых и инженеров – подобно радио, независимо и практически одновременно «изобретенному» в самых разных странах Маркони, Поповым и Тесла. Однако, все оказалось не так просто: этим делом вскоре вплотную занялись не историки техники, а юристы, способные безнадежно запутать и гораздо менее сложные вопросы…
В наши дни «патентным войнам» в мире IT уделяется весьма существенная доля новостных лент, но и полвека назад ситуация в области патентного права была не менее запутана. Дело это, конечно, довольно скучное и зачастую малоприятное – но зато прибыльное и судьбоносное для всей индустрии. Поэтому поневоле коснемся и этой стороны истории вычислительной техники.
В марте 1946 г. Мокли и Эккерт, уволившись из университета, основали собственную компанию Eckert-Mauchly Computer Corporation и, как и следует порядочным американским изобретателям, подали в июне следующего года заявку на патент на создание ENIAC как первого компьютера. Значительная задержка в подаче заявки объяснялась трудоемкостью оформления официальных бумаг: назначенный специалист, Макс Либман, занимался составлением документации со множеством зарисовок и технических характеристик в течение целого года!
Однако, задержка между торжественным открытием ENIAC и подачей заявки на патент – сущая мелочь, по сравнению с опозданием, с которым соответствующий патент (№3 120 606) был наконец-то выписан: это событие произошло спустя восемнадцать лет после демонстрации первой ЭВМ, 4 февраля 1964 года.
Первая (из 91) страница выданного патента демонстрирует схему ENIAC, блоки которого занимают целую комнату
К тому времени ситуация в мире IT, конечно же, изменилась. Большие ЭВМ активно эволюционировали и стали появляться не только в военных вычислительных центрах, но и в каждом уважающем себя американском университете. Маленькая компания Эккерта и Мокли в 1950 г. была выкуплена корпорацией Remington Rand, которая спустя еще пять лет слилась со Sperry Corporation. Образовавшаяся Sperry Rand стала одним из игроков на бурно развивающемся компьютерном рынке, наряду с шестью другими относительно небольшими IT-компаниями, которые все вместе получили у прессы прозвище «семи гномов» – по сравнению с Белоснежкой-гигантом IBM: в ту пору она одна контролировала примерно 85% рынка. Конкуренты поспевали за ней с трудом, их подразделения по части хранения и обработки данных, как правило, работали себе в убыток – и едва ли не единственным гарантированным источником прибыли у «гномов» оказалась… торговля патентами.
Поскольку Sperry Rand получила таким образом и патент на ENIAC как первый из компьютеров, то для начала она потребовала от остальных производителей отчислять ей 1% от всех продаж. И если соглашение с IBM было достигнуто достаточно быстро, – лидер компьютерного рынка мог позволить себе и не такие мелочи, – то со многими из более мелких корпораций договориться не удавалось. 26 мая 1967 года Sperry Rand и корпорация Honeywell одновременно подали друг на друга в суд: первая обвиняла вторую в нарушении патента, а последняя, в свою очередь, доказывала неправомочность этого патента, выданного на изобретение ENIAC.
Окончательное решение суда было вынесено только 19 октября 1973 г., после того как объем протоколов судебных заседаний достиг рекордных 20 667 страниц, и было оно достаточно недвусмысленным: патент Эккерта и Мокли был аннулирован, по причине как несвоевременной подачи заявки, так и заимствований при создании ENIAC, поскольку «изобретателем первого компьютера» тем же решением был объявлен Джон Винсент Атанасов.
Памятник Джону Атанасову в Софии
Сын болгарского эмигранта, физик и инженер-электрик Джон Атанасов (1903–1995) задумал создание цифрового компьютера для решения больших систем линейных алгебраических уравнений еще в 1937 году, когда работал преподавателем математики в колледже штата Айова и размышлял, кроме прочего, и над неосуществленными планами Чарльза Бэббиджа.
А чтобы и его собственные планы не постигла такая же судьба, колледж по его просьбе выделил ему в помощники изобретателя – Клиффорда Эдварда Берри (1918–1963). Точно так же, как и в случае с дуэтом физика Мокли и техника Эккерта, в паре Атанасов – Берри первый был теоретиком и автором идей, а второй – гением их практического воплощения. Результатом их совместной работы и стал Atanasoff–Berry Computer (ABC) до конца 1960-х годов практически никому не известный, но зато после прославившийся как первая ЭВМ – по крайней мере, первая полностью электронная и основанная на двоичной системе исчисления – ведь даже позднейший ENIAC пользовался менее удобной в случае работы с компьютерами десятичной системой.
Реконструкция компьютера Атанасова-Берри (ABC)
Нельзя не заметить, что, в отличие от ENIAC, Mark 1 и работ Цузе, машина Атанасова и Берри была не исполнением заказа какого-нибудь государственного или военного учреждения с неограниченными административными и финансовыми возможностями, а скорее плодом личного энтузиазма ее авторов. Отсюда и ее достаточно скромные технические данные, и незавидная судьба. ЭВМ была практически готова, основная вычислительная часть уже успешно работала, не хватало лишь блока для хранения промежуточных результатов – схемы считывания для двоичных карт, когда в июне 1942 года ее конструирование было прекращено: Берри женился и перешел на работу в частную корпорацию, а Атанасов был призван руководить исследованиями в Военно-морской Артиллерийской лаборатории. Но и после окончания войны он не вернулся к своему увлечению, не придав ему большого значения, – пока им самим и его детищем не заинтересовались юридические отделы крупных корпораций, занимающиеся патентными войнами. Зато в конце 1960-х годов его ожидала всемирная слава – увы, не разделенная Клиффордом Берри, который погиб при крайне подозрительных обстоятельствах в 1963 году.
А еще в 1940 году Атанасов подробно рассказал о своем замысле не кому-нибудь, а Джону Мокли, с которым встречался на одной из конференций и который в июне 1941 года провел пять дней в доме у Атанасова в беседах о компьютерах, причем Берри продемонстрировал гостю и работу своего с Атанасовым детища. Всех этих фактов было достаточно для решения судьи – хотя Мокли и Эккерт считали его несправедливым, отрицая наличие каких бы то ни было заимствований: ABC не был программируемым и универсальным, он был создан для решения одной специальной задачи, и, по их мнению, независимо созданный ENIAC был-таки первым компьютером в современном смысле этого слова.
И, тем не менее, несмотря на все возражения, решение 1973 года, с его юридической однозначностью, так и не было оспорено в судебном порядке. Для большинства исследователей вопрос о приоритете неактуален: свой вклад в развитие компьютера внесли все четверо американских изобретателей – не говоря уже о немецких или английских. Кстати, многие считают, что отмена патента на ENIAC поспособствовала дальнейшему развитию IT-технологий: теперь ведь производителям компьютеров не нужно было платить отчислений владельцам патента, что пришлось бы делать вплоть до 1981 года! Хотя, если судить по букве закона, в свой первоначальной заявке на патент Мокли и Эккерт несколько недооценили потенциал развития ЭВМ и указали неточное значение «импульса», так что под патент на их изобретение подпадали только компьютеры с частотой не более 1 МГц…