История автоматических вычислителей: вычислители на лампах - часть 2

Лекция курса "Языки и методы программирования"
История автоматических вычислителей: вычислители на лампах - часть 2 (вычисления на лампах)
- Элементная база: реализация на электронных лампах логических операторов И, ИЛИ, НЕ
- Память на лампах: flip-flop (триггер), электрическая схема RS-защелки NOR на лампах
- Реле-триггер на вакуумных лампах
- Уильям Экклз, Фрэнк Уилфред Джордан
- Двоичный счетчик Уинна-Уильямса, Чарльз Эрил Уинн-Уильямс
- Универсальные вычислители
- Компьютер Атанасова-Берри
- Ламповый вычислитель Шрейера
- 2-я Мировая, Британия, Блечли Парк: немецкая шифровальная машина Танни, автоматы для дешифровки: Хит Робинсон, Колосс, Колосс Марк II (не путать с Айкеном)
- Итого: лампы vs реле

30 марта 2023 (ранние версии: весна 2022)

Transcript

1. Радио (беспроволочный телеграф), вакуумные лампы, вычислители на лампах, архитектура имени Джона фон Неймана часть 2: вычисления на лампах
2. Элементная база
3. Элементная база • Есть электронный переключатель, который может контролировать другой переключатель • Значит есть логика: И (AND) и ИЛИ (OR) • (полная аналогия с электромеханическим реле) • Как реализовать отрицание — НЕТ (NOT)?
4. Отрицание (оператор НЕ)
9. Элементная база • Теперь есть схемы для операторов: И, ИЛИ, НЕ • Это значит, что можно делать схемы для простой «однопроходной» (комбинационной) арифметики — например, сложение • (мы это уже делали на электромеханическом реле — см. сумматор Штибица) • Чтобы сохранять результаты промежуточных вычислений и использовать их в качестве параметров для следующих операций (последовательностная логика), нам нужна память
10. Память • Память — это элемент с несколькими стабильными состояниями • При одном и том же входном сигнале элемент может иметь одно из возможных значений • Для двоичной логики (реле или лампы) состояний должно быть два: TRUE / FALSE (ВКЛ / ВЫКЛ, 1 / 0) • Для электромеханических реле у нас был бистабильный переключатель (стабильность обеспечивала механическая конструкция) • Как такое сделать на электронных лампах?
11. Память на лампах: flip-flop (триггер)
12. • Реле-триггер на лампах / защелка (latch) / триггер / флип-флоп (flip-flop) • Не сложная, но хитроумная логическая схема, которая позволяет хранить 1 бит данных (0 или 1) • SR NOR Latch — RS-защелка из 2-х элементов ИЛИ-НЕ, зацикленных друг на друга
33. Таким образом • S=1, R=1 => Q=0, Q ̄ =0 — считается, что это состояние является некорректным для защелки • S=1, R=0 => Q=1, Q ̄ =0 • S=0, R=1 => Q=0, Q ̄ =1 • При S=0, R=0 значение Q может быть как 0, так и 1 — в зависимости от того, какое было предыдущие состояние • Другими словами, у RS-защелки есть два стабильных состояния, • значит она может хранить 1 бит данных, т. е. является элементарным элементом памяти • Если объединить несколько защелок в блок (регистр), можно хранить многоразрядные числа
34. • Уильям Экклз (1875 — 1966) ru.wikipedia.org/wiki/Экклз,_Уильям • британский физик, пионер радио • Фрэнк Уилфред Джордан (1881 — 1941) ru.wikipedia.org/wiki/Джордан,_Фрэнк_Уилфред • британский физик Реле-триггер на вакуумных лампах, 1918
35. • Совместно изобрели реле-триггер на вакуумных лампах • 1918 — патент (1919 — публикация в журнале) • сделали не для компьютеров, а для тех же телекоммуникаций Реле-триггер на вакуумных лампах, 1918
37. • Статья в журнале The Radio Review, декабрь 1919 www.americanradiohistory.com/Archive-Radio-Review/Radio- Review-1919-12.pdf • (качать через VPN или TOR) • A trigger relay utilizing three-electrode thermionic vacuum tubes, by W. H. Eccles, D.Sc, and F. W. Jordan, B.Sc • Реконструкция по материалам статьи (2018): • Re-creating the First Flip-Flop The fundamental building block of modern digital design turns 100 spectrum.ieee.org/recreating-the-first-flipflop
38. • Термина «flip-flop» еще нет, • про булеву логику (естественно) тоже никто не говорит • рассуждают в терминах уровней электрических сигналов • Термины: «trigger relay», «retro-active amplification», «this condition, therefore, persists after the disappearance of the initial stimulus» • patent numbered 10290/1918 taken out by Admiralty
42. • В терминологии в разных источниках и защелка и триггер могут выступать как синонимы (в разных местах рассмотренную конструкцию могут называть RS- защелкой или просто защелкой или RS-триггером) • Вариант интерпретации сейчас: • Защелки (latch) — относительно простые конструкции • Триггеры (flip-flop) — более сложные варианты конструкции, состоящие из нескольких защелок • В статье Radio Review (1919) термин «trigger relay» • Судя по всему, триггер — это любой вид переключателя с несколькими стабильными состояниями • На русский язык flip-flop переводят как триггер, но в английском встречается употребление и trigger, и flip-flop (в электронике по большей части flip-flop) Замечания
43. • В англоязычных источниках в названии сначала ставят «S», потом «R»: SR latch, а в русскоязычных обычно сначала «R», потом «S»: RS-триггер • (англоязычный вариант кажется логичнее, т. к. сначала делаем SET, а уже потом RESET; русскоязычный кажется приятнее для уха) Замечания
44. • Существует множество реализаций защелок: на блоках NOR (ИЛИ-НЕ), на блоках NAND (И-НЕ), т. н. D-защелка, есть еще несколько вариантов • RS-защелки (SR latch) — простые конструкции с возможностью прямой установки значения через каналы SET/RESET • D-защелка позволяет задавать значение по фронту прямоугольного сигнала. • D-защелка тоже умеет хранить один бит (0 или 1), тоже имеет два входящих канала. Главное отличие от RS-защелки в том, что один канал содержит устанавливаемое значение (0 или 1), но D-защелка принимает это значение в качестве собственного значения только тогда, когда второй входной сигнал CLK изменяет значение (к примеру, с 1 на 0) • D-триггер (D flip-flop) хранит 1 бит, состоит из двух D-защелок, ведет себя чуть более хитроумно. Основной элемент памяти в современной электронике
45. Итак • У нас есть логика, а значит простая комбинационная арифметика • И есть память • А значит — любые вычисления • (на самом деле потребуется еще генератор тактового сигнала, его как-нибудь в другой раз обсудим)
46. Двоичный счетчик Уинна-Уильямса
47. Чарльз Эрил Уинн-Уильямс (1903 — 1979) en.wikipedia.org/wiki/C._E._Wynn-Williams • Британский (Уэльс) физик • The Electronic Computers, Part 1: Prologue technicshistory.com/2017/08/29/the-electronic-computers- part-1-prologue/ • История электронных компьютеров, часть 1: пролог habr.com/ru/post/408611/
49. Двоичный счетчик Уинна-Уильямса • Физики изучали излучение субатомных частиц • Слушали щелчки или часами изучали фотографии — считали количество обнаружений излучаемых частиц для разных веществ • Хотелось использовать автоматические счетчики • Но механические и электромеханические работали слишком медленно: требовалось регистрировать события с разницей в миллисекунды (тысячная доля секунды) • Электронные лампы работали с нужной скоростью
50. Двоичный счетчик Уинна-Уильямса • Чальз Эрил Уинн-Уильямс в начале 1930-х придумал, как сделать счетчик событий на электронных лампах • Сконструировал устройство — «счетчик двоичной шкалы» • Набор триггеров, которые передавали разряд вверх по цепочке • В качестве бита памяти использовали не логические триггеры (флип-флоп), а тиратрон - специальная лампа с газом внутри, сохраняет заряд после отключения питания
51. Двоичный счетчик Уинна-Уильямса • Т.к. лампы могут работать в режиме двоичной логики (вкл/выкл), к ним в полной мере относится вся история с эквивалентностью булевой алгебры (зафиксированная позднее в работе Шеннона), которую мы в прошлый раз разбирали с реле • Таким образом, на базе ламп можно строить физические воплощения любых логических схем точно так же, как и на реле • Но работать они будут значительно быстрее
53. Двоичный счетчик Уинна-Уильямса • Счетчик быстро вошел в оборот как лабораторное устройство • Обычно содержал всего 3 разряда (считал до 7-ми) • Этого было достаточно, чтобы успеть скинуть промежуточный результат в медленный механический счетчик • Теоретически, количество разрядов можно увеличивать неограниченно • (по словам Криса Макдоналда) двоичные счетчики — первые цифровые электронные счетные машины
54. Вычислители посложнее
55. Компьютер Атанасова-Берри
56. Джон Винсент Атанасов (1903 — 1995) • студент страдает, считая диссер, делал на механическом калькуляторе • 1935 год — вернулся к вопросу • решил остановиться на двоичной системе (тоже до Шеннона) • В качестве целевой задачи: решение систем линейных уравнений методом Гаусса (до 30 неизвестных)
58. Компьютер Атанасова-Берри • 1939 Атанасов завершил проектирование компьютера • Чтобы построить взял в команду инженера Берри • Компьютер сделали, он работал, но давал ошибку • (на некоторое количество итераций в одном бите — для математики это серьезно)
59. Компьютер Атанасова-Берри • Был специализированным, а не общего назначения • Использовали электромеханическую обвязку • Ошибка была из-за этой обвязки • И скорость вычислений ограничивалась скоростью ввода-вывода на механике
60. Компьютер Атанасова-Берри • В середине 1942 Атанасова призвали (правда, инженером), • Берри косил (женился на секретарше Атанасова) • Вычислитель забросили и больше не продолжили. • (похоже на историю с Цузе, только Цузе не забросил проект) • 1948 компьютер улетел на свалку чтобы освободить помещение • В 1941-м году произошла встреча с разработчиком ЭНИАКа — Джоном Мокли (последствия которой всплыли сильно позднее в судебных разбирательствах, благодаря которым проект Анатасова-Берри получил известность в узких кругах и остался в истории как ранний артефакт)
63. Гельмут Шрейер
64. Гельмут Шрейер • Германия • Работал вместе с Цузе • Делился с ним идеями • В т.ч. предлагал сразу использовать лампы вместо реле (Цузе отказался из-за финансовых соображений) • Сконструировал свой вариант вычислителя на лампах
65. Колосс
66. • Британцы, Блечли парк, разгар Второй Мировой Войны • (Энигма и автомат Тьюринга — та же история, но сейчас не о них) • У немцев новая шифровальная машина — Танни • Подключалась напрямую к телетайпу • На втором конце расшифровка — автомат с такими же настройками • Первое время передавали ключ открыто • Потом завели книги с ключами (можно передавать номер страницы и строчку)
68. • Уильям Тат • «Спроектировал» Танни из головы (предположил принцип действия автомата, который мог бы давать такой же шифр), • по схемам сделали конструкцию, и она, видимо, заработала. • Придумал как взломать ключ, но нужен перебор 2400 вариантов • Пошел к Максу Ньюману • Ньюман придумал, как сделать электронно, с использованием счетчика • В команде оказался Уэнн-Уильямз (тот самый, который этот счетчик придумал еще раньше)
69. • На почте в Европе и Британии служили крутые парни от хайтека, т.к. почта распоряжалась телефоном и телеграфом • Управление машинами — женщины • Автоматизация работы, которую они же выполняли вручную • Сконструировали и построили автомат, • Женщины-операторы дали ему имя «Хит Робинсон» (в честь карикатуриста, рисовавшего чрезмерно сложные автоматы для выполнения элементарных действий)
71. • Электроника совмещена с механикой • Электроника на лампах, но довольно простая (плюс-минус счетчик с модификациями) • Текст и варианты ключей на пленках, сложно синхронизировать (как и всегда, в т. ч. история Атанасова) • «Хит Робинсон» работал, но механическая часть с пленкой создавала проблемы
73. • Томми Флауэрс • Работал на почте, телефония • Установил, что если лампы гонять на низком напряжении и беспрерывно, то они могут служить довольно долго • В 1939 заменил некую релейную подсистему на ламповую (довольно масштабную — на несколько тысяч ламп) • В т.ч. экспериментировал с ламповыми регистрами • Обнаружил, что лампы служат гораздо дольше, если использовать их непрерывно и на мощностях, значительно ниже расчетных • Предложил новую схему расшифровывалки — заменить пленку с кодами на полностью электронную симуляцию Танни • (схема получилась посложнее простого счетчика)
74. • Ньюман отнесся скептически (лампы считались ненадежными вполне обоснованно) • Но другой начальник выделил ресурсы (возможно, Флауэрс не все рассказал про реакцию в Блечли) • Флауэрс построил действующую модель — Колосс • В 1944 заказали еще 12 штук таких же • К 31 мая сделали еще одну с улучшениями • Новая версия - Колосс Марк II • (у Айкена тоже были Марки — это другие)
75. • Ввод — пленка через фотоэлементы • Вывод — электрическая пишущая машинка через буфер • Коммутационная панель — настройка колец, симулирующих колеса Танни • (коммутационная панель похожа на панель телефонного оператора) • Плюс настройка переключателями • Мог посчитать любую булеву функцию • Ветвление по условию
78. • Программирования общего назначения не было • Большая часть программы была в виде инструкции для оператора на бумаге • При определенных обстоятельствах оператор должен был делать те или иные действия с машиной вручную • (совместное выполнение программы :)) Человек и машина кооперируют)
79. • Марк 2 работал быстро • (в 90-е, когда реконструировали, мог обогнать тогдашний пентиум) • Построили еще 10 штук • Фактически конвейерным способом — на много лет раньше, чем так стали производить коммерческие автоматы • (размещали крупные заказы на компоненты на гражданских заводах по линии почты, не объясняя, для чего они будут использоваться) • (один из начальников, получив очередной заказ на тысячу клапанов, спросил, «не стреляют ли ими во фрицев работники почты») • Автоматы не выключали до конца войны, чтобы сберечь лампы
80. • Заслуги автоматов (конкретно, Колосса) автор (Крис Макдоналд) оценивает скептически • Известная заслуга — подтверждение того, что немцы повелись на разводку перед высадкой в Нормандии • Черчилль приказал разобрать машины и уничтожить • Две машины чудом спаслись • Личная трагедия Флауэрса: не мог сослаться на опыт Колосса, когда хотел внедрить электронику на почте • Т.е. не просто уничтожили проект, но и не дали ход изобретениям на гражданке • В 90-е реконструировали
81. Итого
82. Лампы vs реле • Лампы появились позднее реле • Но к середине 20-го века и те и другие широко использовались несколько десятилетий • Конструкторы вычислителей на реле знали про лампы • Неправильно говорить, что лампы — это «улучшенное реле» (или что лампы эволюционным путем пришли реле на замену) • И у реле и у ламп были свои сферы применения, свои достоинства и недостатки
83. Лампы vs реле • Компьютер IBM (на реле) лучше справлялся с бигдатой на перфокартах • Эниак для длинных простых вычислений • Белл Модель 5 - для сложных вычислений из-за длинной пленки с программой • Корни все еще удобнее считать вручную с калькуляторами и таблицами
84. Лампы vs реле • Реле медленные, но надежные (даже не смотря на то, что между контактами могла попасть грязь), долгий срок службы • Лампы — крайне ненадежные, перегорают в случайный момент, срок службы маленький, потребляют много энергии, греются • И те и другие — широко распространены, большой модельный ряд на все случаи. • Но лампы, в среднем, дороже
85. Лампы vs реле • Главное преимущество ламп — скорость (для реле недостижимая) • Часть проблем удалось если не решить, то уменьшить влияние • Например: на пониженном напряжении лампа меньше греется и у нее увеличивается срок службы • Срок службы также увеличивается, если она работает непрерывно (поэтому некоторые ламповые компьютеры вообще никогда не выключали)
86. Лампы vs реле • Но этого всё еще не достаточно, чтобы запустить гонку вычислительной техники и привести её к современному состоянию дел • Заслуга ламп — окончательный переход из мира механики в мир электроники (выраженный в переход на концепцию хранимой программы) • (механика больше ни в каком виде не принимает участия в вычислениях, хотя от базового ввода-вывода никуда не деться) • Но дальнейшее развитие вычислительной техники пошло совсем на другой элементной базе с другой физикой процессов
87. Далее: ЭНИАК, Джон фон Нейман