История автоматических вычислителей: вычислители на реле - часть 2

Лекция курса "Языки и методы программирования"
История автоматических вычислителей: вычислители на реле - часть 2 (логика и вычисления)
- Булева логика на реле: Джордж Буль, Пауль Эренфест,
- Эквивалентность логических функций и электрической схемы с реле
- Электрические схемы AND, OR, NOT
- Виктор Шестаков, Клод Шэннон
- роль теоремы Шэннона
- Вычислители на реле
- Джордж Роберт Штибиц
- Двоичный сумматор Штибица
- Арифметика на реле: сложение чисел через булевы операции, электрическая схема сумматора
- Память: сохранение промежуточных результатов
- Вычислители Штибица в Белл Лабз, "облачные вычисления" в 1939 году: Complex Number Computer, Model I, Model II, Model III, Model IV, Model V
- Проблемы с реле в качестве элементной базы вычислителей
- Еще проекты
- Конрад Цузе, Z3
- Говард Гатуэй Айкен, IBM, Mark I, "Мечта Бэббиджа сбылась"
- Николай Иванович Бессонов, РВМ-1
- «Первый» компьютерный «баг»
- Послесловие

2 марта 2023 (ранние версии: весна 2022)

Transcript

1. История вычислительных устройств: компьютеры на реле (часть-2: логика и вычисления)
2. Материалы
3. • История реле, Крис Макдоналд, февраль 2022 dmkpress.com/catalog/ computer/hardware/97 8-5-97060-993-4/
4. • Computing before computers, под редакцией William Aspray, 1990 (глава «Relay Calculators», Paul E. Ceruzzi) libgen.lc/edition.php? id=138559933
5. • От абака до компьютера, Р. С. Гутер Ю. Л. Полунов, 1981 (ссылки на текст ищутся в поисковике)
6. • LibGen, • Archive.org, • Википедия, • интернет
7. Итого на начало XX века • Переключатель реле — дешевый, массовый, доступный компонент, типовой строительный блок инженерных автоматических систем • Телеграф (простые усилители — логики почти нет) • Телефонные станции — исполинские логические автоматы • Табуляционные машины Германа Холлерита - логико- арифметические автоматы • и передача фоток по телеграфу - для иллюстрации
9. Первая страница, переданная по «Бильдтелеграфу» Артура Корна, — фото императора Франца Иосифа Первого, 1907 г.
12. Булева логика и реле (булева логика на реле)
13. Джордж Буль (1815 — 1864) • ru.wikipedia.org/wiki/Буль,_Джордж • Английский (ирландский) математик и логик • Один из основателей математической логики • 1847: статья «Математический анализ логики» («The Mathematical Analysis of Logic») • Идеи применения символического метода к логике • Исчисление, основанное на оперировании двоичными предпосылками ПРАВДА / ЛОЖЬ: булева логика, булева алгебра • (см. курс дискретной математики)
15. Пауль Эренфест (1880 — 1933) ru.wikipedia.org/wiki/Эренфест,_Пауль • Родился в Австрии • Жена из России — Татьяна Алексеевна Эренфест- Афанасьева • Продолжительное время жил и работал сначала в Российской Империи, потом в СССР • Создатель крупной научной школы в области физики • Внес вклад в теорию относительности, квантовую механику и т. п.
17. • В 1910 г. написал отзыв на книгу французского философа, логика и математика Леона Кутюра «Алгебра логики», вышедшей в 1909 г. в русском переводе. • Среди прочего отметил там, что электрические схемы на реле являются физическим воплощением абстрактных законов математической логики (булевой алгебры) • И то, что алгебру логики можно было бы применить к верификации схем сконструированного из реле оборудования • А так же к упрощению этих схем — устранению излишних элементов • Т. е. прямым текстом указал на основные позиции связи математической логики и электроники (и даже определил телефонные станции как логические автоматы) • Но в теорию не развил
18. «Символическая формулировка [посылок умозаключения] дает возможность “вычислять” следствия из таких сложных систем посылок, в которых при словесном изложении почти или совершенно невозможно разобраться. К счастью, уже отвыкли требовать от каждой математической спекуляции прежде всего “практической пользы”. Тем не менее, быть может, уместно коснуться вопроса о том, не встречаются ли в физике или технике в самом деле такие сложные системы по­ сылок. Мне думается, что на этот вопрос следует ответить утвердительно.
19. Пример: пусть имеется проект схемы проводов автоматической телефонной станции. Нужно определить: 1 ) бу­ дет ли она правильно функционировать при любой комбинации, могущей встретиться в ходе деятельности станции; 2 ) не содер­ жит ли она излишних усложнений.
20. Каждая такая комбинация является посылкой, каждый малень­ кий коммутатор есть логическое “или-или”, воплощенное в эбо­ ните и латуни; все вместе — система чисто качественных (в се­ ти слабого тока именно не количественных) “посылок”, ничего не оставляющая желать [лучшего] в отношении сложности и запу­ танности. Правда ли, что несмотря на существование уже разработанной “алгебры логики” своего рода “алгебра распределительных схем” должна считаться утопией?» [30, с. 387].
21. • См. статью: • Первые приложения логики к технике: Эренфест, Герсеванов и Шестаков. От применения логики к расчету сооружений и релейным схемам к логической теории размерностей физических величин, Б.В. Бирюков, В.И. Шахов logicalinvestigations.ru/article/view/308?lang=ru • (там же упоминают Н. М. Герсеванова, но он применял математическую логику в сфере механики и строительства)
22. Эквивалентность логических функций и электрической схемы с реле
31. b = NOT a a b
32. Виктор Иванович Шестаков (1907 — 1987) • ru.wikipedia.org/wiki/Шестаков,_Виктор_Иванович • Виктор Иванович Шестаков и логическое моделирование, В. И. Левин iph.ras.ru/uplfile/logic/log16/LI-16_levin.pdf • Первые приложения логики к технике: Эренфест, Герсеванов и Шестаков, Б.В. Бирюков, В.И. Шахов logicalinvestigations.ru/article/view/308?lang=ru • TODO: ссылки на труды
34. • высказал идею и сформулировал теорию релейно- контактных схем в 1934—35 годах (по свидетельству С. А. Яновской, Гаазе-Рапопорта, Добрушина, Лупанова, Гастева, Медведева, Успенского), раньше Шеннона, • хотя диссертации (соответственно, кандидатскую и магистерскую) оба защитили в 1938 году, • а В. И. Шестаков опубликовал статьи, излагавшие его идею, только в 1941 г.
35. • открыл логико-алгебраическую модель электрических двухполюсников (позже и трёх- и четырёхполюсников) с последовательно- параллельными соединениями двухполюсных схемных элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и др.), сопротивления которых могут принимать любые положительные значения на оси действительных чисел и • которая на двухэлементном множестве {0, бесконечность} вырождается в двузначную булеву алгебру логики.
36. • Одной из причин интереса к ученому явилось также то, что в его трудах, наряду с традиционными задачами логического моделирования дискретных устройств, • рассматривалась аналогичная задача для непрерывных (аналоговых) устройств.
37. Akira Nakasima и Masao Hanzawa • 1936-й год, • аналогичная работа • Публикация на японском языке
38. Клод Шэннон (1916 — 2001) • A symbolic analysis of relay and switching circuits, 1938 (тезисы для диссертации магистра в МИТ) • Показал эквивалентность логических операторов и электрических схем на реле (И, ИЛИ, НЕТ) • В качестве примера описал схему сложения двоичных чисел в общем виде • Позднее устроился в Белл Лабз (уже после публикации тезисов)
44. Текст статьи • «A symbolic analysis of relay and switching circuits» • По подписке (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6431064 • Первая попавшаяся PDF в поисковике feelthebrain.files.wordpress.com/2017/04/1938-shannon-analysis-relay-switching- circuits.pdf • Ссылка с википедии en.wikipedia.org/wiki/A_Symbolic_Analysis_of_Relay_and_Switching_Circuits www.cs.virginia.edu/~evans/greatworks/shannon38.pdf • Сборник трудов Шэннона: Claude Elwood Shannon: Collected Papers, by Claude Shannon (Editor), Aaron D. Wyner (Editor), N.J.A. Sloane (Editor) • www.libgen.is/book/index.php?md5=89B9EC5F9CBE1B859F5803A9F0096620
45. • Этим явлением как таковым пользовались без теоретического фундамента «наощупь» • В конкретных устройствах • Например, в табуляционных машинах Холлерита (1890-й) (моя реконструкция, следует еще по источникам подтвердить) • В телефонных станциях • И т. п.
53. Важность теоремы (заслуга Шэннона) • Т. к. работа была опубликована на английском языке, именно его публикация получила распространение на Западе • После работы Шэннона инженеры стали проектировать электронику в терминах логики, а уже потом конвертировали в электронные схемы • Если сформулировать схему в терминах булевой алгебры, выражение можно упростить как логическое выражение до эквивалентного булева выражения. И после этого сделать аналогичную схему • После публикации теоремы за ней последовало множество трудов, которые развили простую идею эквивалентности в большую теорию — раздел инженерной науки
54. Вычислители на реле
55. Вычислители на реле • От частных (но массовых) применений в области связи к вычислителям общего назначения • Элементная база готова • Множество наименований реле для всех случаев жизни • Дешево, массово
56. Джордж Роберт Штибиц (1904 — 1995) • Инженер в Белл Лабз ru.wikipedia.org/wiki/Штибиц,_Джордж_Роберт ru.wikipedia.org/wiki/Полусумматор#Полусумматор_Штиб ица_«Model_K_Аdder» ds-wordpress.haverford.edu/bitbybit/bit-by-bit- contents/chapter-four/4-1-stibitz-calculators-at-bell-labs/
58. Человеческие вычисления, 1930-е • At Bell Labs in the 1930s, a room full of human "computers" figured complex number quotients and products using commercial mechanical calculators. • Вычислительный кластер на человеках, человеческие вычисления («human computations») • В Белл Лабз востребованная операция — вычисление результатов умножения и деления комплексных чисел • Для этого использовали механические калькуляторы • Арифметика простая, но с механическим калькулятором требуется множество рутинных ручных действий • (в те времена не было нужды врать, что вычисления сделаны компьютерами, а не людьми, т.к. не было компьютеров)
60. • В 1937-м году Штибиц принес домой с работы немного реле и сделал из них на кухне складывалку (сумматор) двоичных чисел на батарейках • Показал коллегам • Коллеги не впечатлились: на двоичной логике понадобится очень много реле • (Как же они были правы...)
63. Двоичный сумматор Штибица • Складывал два 1-битных числа (замкнутый или разомкнутый контакт на число) • Результат: число 2 бита (индикатор — две лампочки) • 0 + 0 = 00 (0) • 1 + 0 = 01 (1) • 0 + 1 = 01 (1) • 1 + 1 = 10 (2)
64. Арифметика на реле • Исключающее ИЛИ, оно же XOR, оно же «сложение по модулю 2» a b ⨁
67. Арифметика на реле • a XOR b = (a OR b) AND [NOT (a AND b)] • a XOR b = [(NOT a) AND b] OR [a AND (NOT b)] • a XOR b = [(NOT a) OR (NOT b)] AND [a OR b] • Один XOR без старшего разряда — сложение с отбрасыванием старшего разряда (переполнение)
82. Арифметика на реле • Простые арифметические операции с числами в двоичной форме выводятся через комбинации логических операций, если рассматривать отдельные разряды операндов как логические переменные • (больше подробностей в курсе дискретной математики) • Самостоятельно: попробуйте вывести логическую формулу сложения чисел с 2-мя разрядами (результат — 3 разряда) • (схему на реле с вашего позволения рисовать не буду)
83. Память: сохранение промежуточных результатов • Кроме арифметики • Для последовательных вычислений: промежуточный результат нужно как-то сохранить и передать следующей операции • В т. ч.: состояния конечного автомата • Вариант: бистабильное реле (выключатель)
86. • Штибиц начал работать над сумматором (1937) до того, как Шэннон опубликовал свою теорему (1938) • (в очередной раз видим, как ученые и инженеры заново и часто почти одновременно приходят к одним и тем же идеям, некоторые идеи «витают в воздухе») • Сумматор оценило руководство Белл Лабз • На его основе была построена серия вычислителей • Начали с автоматизации арифметики комплексных чисел, т. е. с автоматизации насущных потребностей компании (1939-й год)
87. • Главная перспектива, которую увидел Штибиц (но не увидели его коллеги), — релейный калькулятор, в отличие от механических аналогов, сможет выполнять последовательность операций, • каждая из которых будет принимать на входе результат предыдущих вычислений
88. «Облачные вычисления», 1939 год • The Complex Number Computer was kept in an out-of-the- way room in the labs, where few ever saw it. Persons accessed it remotely using one of three modified teletype machines placed elsewhere. • Вычислитель комплексных чисел на реле • Был размещен в отдельной комнате • Операторы обращались к нему удаленно через модифицированные пульты телетайпа
89. • Впервые работа машины была продемонстрирована в октябре 1940 года на заседании Американского математического общества. • Комплексные числа вводились в машину Джорджа Штибица, находившуюся в Нью-Йорке, с помощью расположенного в зале заседания телетайпа; • результаты вычислений передавались из Нью- Йорка по телеграфному каналу и воспроизводились печатающим устройством
90. • Stibitz carried this idea of remote, multiple access one step further. In the fall of 1940 the American Mathematical Society met at Dartmouth College in Hanover, New Hampshire, a few hundred miles north of New York City. Stibitz arranged to have the Complex Number Computer connected by telephone lines to a teletype unit installed there. The Complex Number Computer worked well, and there is no doubt it impressed those who used it. • The meeting was attended by many of America's most prominent mathematicians, as well as individuals who later led important computing projects ( e.g., John von Neumann, John Mauchly, and Norbert Wiener). • The Dartmouth demonstration foreshadowed the modem era of remote computing, but remote access of this type was not repeated for another ten years ( until done by the National Bureau of Standards, in 1950).
91. • «Модель I» была специализированной вычислительной машиной и не имела устройства автоматического управления вычислениями. • Это устройство появилось в «Модели II» - релейном интерполяторе, управляемом программной перфолентой. Машина имела объем памяти в 5 пятиразрядных десятичных чисел.
92. Модель-II, 1943 • Использовалась для наводки огня против самолета (anti-aircraft), наземное ПВО • Интерполяция в цикле • Специализированный вычислитель (не общее назначение) • Логику можно было перенастроить переключением проводов • (по сравнению с механическими вычислителями — это очень гибкий и удобный способ настройки, вопрос элементной базы) • Программа на пленке (сначала не хотели, но опять поспособствовала война) • Жило аж до 1961 года
93. • Вслед за «Моделью II», законченной в 1943 году, были построены еще 2 небольшие релейные машины: «Модель III» и «Модель IV». • «Модель III», известная под названием «баллистической вычислительной машины», имела несколько больший объем памяти, содержала 1300 реле и заменяла 25 - 40 девушек, вычислявших с помощью настольных счетных машин баллистические таблицы. • «Модель IV» отличалась от своей предшественницы тем, что могла вычислять еще и значения тригонометрических функций.
94. • Успех малых релейных машин привел к созданию в 1944 - 1946 годах универсальной вычислительной машины «Модель V» • Машина содержала около 9000 реле и имела в своем составе все блоки, предусмотренные «классической» (бэббиджевской) структурой. • Запоминающее устройство «Модели V» состояло из 44 восьмиразрядных регистров, • в качестве устройств ввода использовались читающие (перфорационные) машины, а в качестве устройств вывода — перфораторы и телетайпы.
95. Модель V • Построили два экземпляра: 1946, 1947 • Самая большая из серии • Появилось ветвление • Реализация ветвления множеством лент на нескольких устройствах чтения • Циклы: замкнутые ленты • (довольно вычурные конструкции, но в шестереночных компьютерах их реализовать было бы еще сложнее)
97. Проблемы с элементной базой • Пыль и грязь между контактов реле • (а могли и какие-нибудь насекомые заползти) • Приводили к регулярным сбоям в вычислениях • Непростое обслуживание • Скорость ограничена скоростью механики
98. Итого • Модель V — вычислитель общего назначения • Но слишком сложный • Сами инженеры признавали, что модели III и IV с точки зрения эксплуатации проявляли себя гораздо лучше • Начинают играть роль ограничения элементной базы • (реле значительно лучше, чем шестеренки, но их недостатки в таких проектах начинают себя проявлять) • Компьютеры на реле могли придумать раньше, но и их возможности исчерпали быстро
99. Еще проекты
100. Конрад Цузе (1910 — 1995) ru.wikipedia.org/wiki/Цузе%2C_Конрад • Начал разрабатывать электро-механические вычислительные устройства в 1935-м году • В 1941-м году представил машину Z3 — возможно, первый последовательный вычислитель общего назначения
101. • вел расчеты строений, несущих нагрузку - мосты или крыши со стропилами • требовало решения линейних уравнений • алгоритм был не сложный, но утомительный и большая вероятность ошибиться • нужно чтобы машина могла использовать как вход результат промежуточных вычислений
102. • 1935 год первые чертежи • студент, живет с родителями • решил использовать двоичную систему • двоичные числа были известны, но меинстримом не были
103. • знал о реле • но начал строить гибрид из механической считалки и памяти и электрического мотора • память получилась ок, а механическая часть не очень • проблема с переносом разрядов • хотел использовать числа с плавающей точкой, стало пипец как сложно • 1938 перешел на реле для логики
105. • Логические элементы были реализованы в виде набора металлических пластин, снабженных хитрыми вырезами • На картинке: Логический вентиль AND в Z1, реализованный с помощью металлических пластин. • Физика двоичной логики (картинка с логикой и ссылка на ютюб) habr.com/ru/company/timeweb/blog/653159/ • Konrad Zuse’s adder model www.youtube.com/watch?v=PWj7toEOOG8
108. • Его товарищ — Шрейер (тоже студент, учились вместе, про него вспомним позднее — когда будем говорить про вычислители на вакуумных трубках), • решил дырявить кинопленку по паттерну и регулировать таким образом какие-тайминги. Своебразное программирование • Шрейер придумал использовать даже не реле, а вакуумные лампы • Поделился идеями с Цузе • Цузе использовал идеи Шрейера, но идею использования ваккумных ламп отклонил, т. к. работу вел на свои деньги и понимал, что может не потянуть
109. • элементы памяти вырезаны ножовкой по металлу • телефонные реле б/у • старая кинопленка как носитель программы • есть первый рабочий прототип (не без проблем, но рабочий) • Немецкий исследовательский институт аэродинамики дал немного денег на нормальный вариант • 1941 г., Z3 — возможно, первый в мире последовательный вычислитель общего назначения
110. • набросал программу обсчитывающую матрицу и корни квадратного уравнения, но для вычислений не хватило ... памяти, лол • (кстати, сейчас работа т. н. ИИ — это арифметика огромных матриц) • институт подкинул еще денег • проблема была насущная • Z4 — новая версия побольше — 1945 год (к концу войны как раз)
111. • экземпляры машин z1-z3 уничтожили во время бомбежек Берлина • z1 полностью механическая, читала перфокарты • z3 применялась на практике для расчетов аэродинамики самолетов • Z4 к концу войны была почти готова, но в условиях паники после проигрыша фашистов её пришлось спасать, перевозить с места на место (отдельная история) • Была завершена и выпущена через несколько лет — в 1950-м году
112. • В 1946 году Цузе организовал коммерческую компанию по производству компьютеров «Инженерная служба Цузе в Хопферау» (нем. Zuse-Ingenieurbüro Hopferau). • Венчурный капитал был получен от Швейцарской высшей технической школы (ETH Zürich) и компании IBM.
113. • Ещё через три года, в 1949 году, обосновавшись в городе Хюнфельде, Цузе создал компанию Zuse KG. • В сентябре 1950 года Z4 был, наконец, закончен и поставлен в ETH Zürich. • В то время он был единственным работающим компьютером в континентальной Европе • и первым компьютером в мире, который был продан. • К 1967 году фирма Zuse KG поставила 251 компьютер, на сумму около 100 миллионов дойчмарок[6], однако из-за финансовых проблем она была продана компании Siemens AG. • Тем не менее, Цузе продолжал проводить исследования в области компьютеров и работал специалистом-консультантом Siemens AG.
114. • Цузе считал, что устройство Вселенной похоже на сеть взаимосвязанных компьютеров. • В 1969 году он издал книгу «Вычислительное пространство» • «Внезапно мне пришла в голову мысль, что Вселенная могла быть зачата гигантской ЭВМ, работающей как релейный калькулятор, — а релейные калькуляторы содержат релейные цепи, — писал он в своих мемуарах. — Когда реле срабатывает, импульс проходит по цепи. Я подумал, что, вероятно, именно так движется квант света». Эта мысль накрепко укоренилась в его сознании, и через 30 лет он сформулировал теорию, получившую название «вселенная счисления».
115. • Z3 была создана Цузе на основе его первых вычислителей Z1 и Z2. • Изначально военным властям не было никакого дела до разработок Цузе, когда его первый раз мобилизовали на службу в Вермахт в 1939 году, он сослался на нецелесообразность прохождения службы рядовым пехотинцем ввиду необходимости продолжать работу над вычислительной техникой для расчёта аэродинамических параметров самолётов с целью улучшения их боевых качеств, — • офицер, ответственный за распределение новобранцев и освобождение от призыва негодных к строевой службе заявил, что такая техника не нужна, потому что «немецкие самолёты и так самые лучшие в мире, там нечего улучшать»[4], и распорядился отправить конструктора нести службу вместе с остальной массой призванных.
116. • К тому времени уже полным ходом шла Вторая мировая война и конструктор представил на рассмотрение Верховного главнокомандования Вермахта доклад о большом потенциале созданной им машины для применения её в военных целях, — по мнению учёного, перед немецкими военачальниками открывался широчайший диапазон потенциальных направлений применения перспективной вычислительной техники, но немецкий генералитет и маршалитет, воспитанный в традициях прусского офицерства, которому с большим трудом дался переход от кавалерии к танкам и бронемашинам, был слишком далёк от обсуждаемой в докладе тематики работ, а имперские органы управления военно-промышленным комплексом и должностные лица, ответственные за распределение бюджетных средств и ресурсов на научно-исследовательские и опытно- конструкторские работы, были ориентированы на сравнительно непродолжительные (в пределах до полугода, так как долговременные научные разработки были запрещены по личному указанию А. Гитлера)[5], гарантирующие осязаемый результат и, самое главное, понятные им проекты, не заинтересовались предложением конструктора[6].
117. • . Так или иначе, на этот раз в руководстве «Хеншель» решили подстраховаться и, чтобы конструктора не мобилизовали в третий раз, получили официальный государственный заказ на предложенный Цузе вычислитель. Тактико-техническое задание предусматривало разработку вычислительного устройства для расчёта вибрационных характеристик различных узлов и агрегатов проектируемых «Хеншель» военных самолётов и самолёт-снарядов[8].
118. • Цузе откровенно заявлял не один раз, что побудительным мотивом его научной деятельности было укрепить военную мощь Рейха, чтобы тот смог дать равновесный ответ на такие явления, как бомбардировка Дрездена англо-американской авиацией, которые, по мнению учёного, были абсолютно бессмысленными с точки зрения их военной эффективности и в результате которых пострадало, главным образом, гражданское население, — по словам учёного, чем больше падало бомб, тем настойчивее и интенсивнее работали он и его подчинённые[9].
119. • - после войны остался один последний экземпляр, • - память опять механическая • - увезли в музей в Швецию • - американцы и англичане не знали о его работах, поэтому все изобрели заново • Z4 оказала частичное влияние на проекты континентальной Европы • Но не такое сильное, как последовавшие затем
120. • Машина для фюрера Его имя забыто. Но он создал первый в мире компьютер lenta.ru/articles/2018/08/13/nazi_kudachter/ • Z3 — первая работоспособная полнофункциональная программно управляемая и свободно программируемая вычислительная машина ru.wikipedia.org/wiki/Z3 • (много где пишут, что про него «все забыли», но, например, в книге «От абака до компьютера» Полунова и Гутера, 1981, его имя и проекты упомянуты)
123. Говард Гатуэй Айкен (1900 — 1973) • В 1937 году американский физик Говард Гатуэй Айкен начал работать в Гарвардском университете над тезисами своей диссертации. • Айкену было около сорока
124. • Теоретическая часть диссертации Айкена содержала решение так называемых нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. • Чтобы сократить вычислительную работу, Айкен начал придумывать несложные машины для автоматического решения частных задач, например для вычисления полиномов. • В конце концов он пришел к идее автоматической универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг научно-технических задач.
125. • - перфокартные машины уже использовали, но циклы на них гоняли вручную • - изобрел «for, i++» • And as he intended to use it for problems in which the value of the independent variable was incremented by a constant amount each time, he also wanted the machine to automatically increment the variable and step through the process without human intervention. Implicit in that requirement is the further ability to stop processing upon reaching the desired number of iterations.
126. • Проект вычислителя - 1937-год • Фирма IBM, согласившаяся финансировать создание машины, выделила в распоряжение Айкена четырех инженеров. • Работа продолжалась около пяти лет, и в августе 1944 года была закончена и передана Гарвардскому университету «Вычислительная машина с автоматическим управлением последовательностью операций» (АСКК), известная под названием «Марк I».
127. • В «Марк I» использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические - для управления работой машины. • Как и в аналитической машине, числа хранились в регистрах, состоящих из десятизубых счетных колес. • Каждый регистр содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для представления числа, а одно - для представления его знака. • Регистр имел механизм передачи десятков и поэтому использовался не только для хранения чисел; находящееся в одном регистре могло быть передано в другой регистр, и добавлено к находящемуся там числу (или вычтено из него).
128. • Механизм суммирования, по существу, не отличался от сумматоров холлеритовских табуляторов. • Регистры были снабжены системой сквозного переноса, аналогичной предлагавшейся Бэббиджем
129. • Всего в «Марк I» было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память из 60 регистров, образованных механическими переключателями. • В эту дополнительную память вручную вводились константы - числа, которые не изменялись в процессе вычислений .
130. • Ввод данных (константы): рычажковый метод
132. • Работой «Марк I» управляли команды вводимые с помощью перфорированной ленты. • Каждая команда кодировалась посредством пробивки отверстий в 24 колонках, идущих вдоль ленты, и считывалась с помощью контактных щеток. Совокупность электрических сигналов, полученных в результате «прощупывания» позиций данного ряда, определяла действие машины на данном шаге вычислений. • После завершения операции лента сдвигалась, и под контактные щетки попадал следующий ряд отверстий. • В одной перфоленте Айкен объединил два типа бэббиджевских перфокарт — операционные карты и карты переменных
133. • Ввод алгоритма : программа на ленте • (24 колонки)
135. • Умножение и деление производились в отдельном устройстве. • Кроме того, машина имела встроенные релейные блоки для вычисления функций sin x и log x. • Скорость выполнения арифметических операций в среднем составляла: сложение и вычитание — 0,3 секунды, умножение-5,7 секунды, деление-15,3 секунды. • Таким образом, «Марк I» был «эквивалентен» примерно 20 операторам, работающим с ручными счетными машинами
136. • В первом варианте системы команд этой машины отсутствовала важная команда условного перехода, предложенная автором аналитической машины. • Она была включена в систему команд «Марк I» позднее, возможно, вследствие знакомства Айкена с работами Чарльза Бэббиджа. • В качестве устройств вывода Айкен использовал пишущие машинки и перфораторы. • «Марк I» содержал все основные блоки аналитический машины: устройства ввода и вывода, устройство управления, память («склад») и арифметическое устройство («мельница»).
137. • The Mark II (completed in 1947) was a calculator more in the spirit of the Bell Labs Model V, computing entirely with relays, not mechanical driveshafts or clutches. • It was a big machine by any standards: it contained 13,000 relays and occupied a large room at the Navy's proving ground at Dahlgren, Virginia. • Like the Mark I, it was controlled by a combination of sequence tapes and plugboards; • like the Bell Labs Model V, it could be operated as two independent machines and work on two problems simultaneously.
138. • By the time the Mark II was installed at Dahlgren , many were beginning to feel that vacuum tubes offered a number of advantages over relays for automatic calculator circuits. • for the Marks III and IV he did employ some tubes to gain higher speeds. • (потихоньку переходят с реле на вакуумные лампы)
139. Дух Бэббиджа • Айкен познакомился с идеями Чарльза Бэббиджа случайно, спустя три года после начала работы над «Марк I» • Пораженный предвидением Бэббиджа, он писал: «Живи Бэббидж на 95 лет позже, я остался бы безработным»
140. Лесли Джон Комри • Реализовал работающую разностную машину Бэббиджа • Энтузиаст вычислительной техники, применял табуляторы IBM для научных расчетов • (говорили про него на лекции про табуляционные электро-механические машины) • Здесь он приветствует Марк-1 • Комри хорошо знал и высоко ценил работы Бэббиджа и постоянно упоминал их в своих статьях. • В 1944 году он опубликовал в английском научном журнале «Нейчур» статью, посвященную описанию одной из первых в мире автоматических цифровых вычислительных машин — машины «Марк I», созданной группой американских инженеров под руководством Говарда Айкена. Статья называлась «Мечта Бэббиджа сбылась».
141. Николай Иванович Бессонов (1906 — 1963) • Советский конструктор • Проект РВМ-1: релейная вычислительная машина • («чистая» релейная машина) • Завершена в 1957 году • Начало постройки — 1954 год • работала до 1965 года
142. • Благодаря применению каскадного принципа выполнения арифметических операций, • изобретенного самим же Бессоновым, ему удалось заметно повысить быстродействие • машины: она выполняла до 1250 умножений в минуту, то есть свыше 20 в секунду. • Машина содержала 5500 реле.
144. • Особенно удобным оказалось использование РВМ-1 в задачах экономического характера, где требовалась обработка очень больших массивов информации (вводившихся с перфокарт) со сравнительно небольшим числом однообразных операций над каждым отдельным числом. • Благодаря этому именно на РВМ-1 выполнялись в 1961 - 1962 годах расчеты цен по новой системе ценообразования. От абака до компьютера, Р. С. Гутер Ю. Л. Полунов
145. • Дальнейшие работы Н. И. Бессонова были направлены на использование изобретенных им усовершенствований в электронных вычислительных машинах. • Здесь он достиг существенных результатов. К сожалению, преждевременная смерть помешала ему полностью осуществить задуманное. От абака до компьютера, Р. С. Гутер Ю. Л. Полунов
146. «Первый» компьютерный «баг» • На самом деле «багами» ошибки называли и до этого случая (а ошибку в алгоритме Бэббиджа обнаружила и исправила еще Ада Лавлейс) • Но этот случай известен, задокументирован и в чем-то забавен • Релейный вычислитель (Harvard Mark II) вышел из строя • Когда стали искать причину, обнаружили придавленного релейным контактом мотылька • Мотылька извлекли, сделали запись в журнале • Инцидент расследовала Грейс Хоппер
150. Послесловие
151. Универсальные вычислители • Цузе — z3 — 1941 (z1 — 1935) • Айкен — Марк-1 — 1944 • Штибиц (Белл Лабз) — Модель V — 1946 (двоичная складывалка — 1937)
152. • Штибиц начал работать над сумматором (1937) до того, как Шэннон опубликовал свою теорему (1938) • Шестаков и Шэннон сформулировали схожие идеи, Шестаков — чуть раньше, но Шэннон опубликовал труды на несколько лет раньше • Многие участники событий были знакомы с трудами Бэббиджа, но часто это происходило постфактум — уже после того, как они достигали своих результатов (Айкен) • (в очередной раз видим, как ученые и инженеры заново и часто почти одновременно приходят к одним и тем же идеям, некоторые идеи «витают в воздухе») • (с другой стороны, «витают в воздухе» может означать то, что эти идеи уже кем-то были сформулированы раньше) • в истории остаются те, кто получает коммерческий результат, просто практический результат или хотя бы оставляет какое-то документальное свидетельство (например, публикацию) • но даже в этом случае об этом должен узнать достаточно широкий круг лиц • иначе любой результат канет в лету
153. • не нужно так уж сильно печалиться по автоматам Бэббиджа • он, действительно, опередил своё время • идея компьютеров на шестеренках выглядит романтично и красиво (стим-панк, все дела) • но XIX век впустую не прошел • он готовил научную и элементную базу • в т. ч. во времена Бэббиджа • (пересечение изобретателя реле с Бэббиджем — у Макдоналда) • без дешевых релешек и без знания о них не появились бы релейные компьютеры • и их нельзя было бы сделать на доступной и надежной элементной базе
154. • Реле в полной мере проявили себя за свою историю — начиная с 19-го века • Например: передача изображения по телеграфу в 1907-м году, как вам такой прототип «скайпа-зума-инстаграма»?
155. Первая страница, переданная по «Бильдтелеграфу» Артура Корна, — фото императора Франца Иосифа Первого, 1907 г.
156. • Просто это были не вычислители общего назначения, а специализированные логические автоматы (исполинских размеров) • (в современном мире такие специализированные электронные устройства называются ASIC — application specific integrated circuit)
157. • И, с другой стороны, а зачем вообще нужен компьютер общего назначения? • — Чтобы в каждом конкретном случае можно было превратить его в специализированный автомат, не слишком сильно утруждая себя необходимостью изобретать новый конструкт • (вариативность поведения «жесткой» аппаратной платформы достигается через «мягкое» программное обеспечение) • В качестве электронного компонента всевозможных электрических устройств реле живут до сих пор
158. • объективные недостатки реле: • грязь между контактами, большой размер, вероятность заедания и т. п. • Проблемы, которые были приемлемы в телефонных станциях, были недопустимы при работе вычислителя (todo: у Макдоналда был разобран пример) • переходный период: совместное использование с электронными лампами
159. • Век компьютеров общего назначения на реле был не таким долгим • После того, как компьютеры общего назначения показали свою значимость, • На смену реле сразу же нашелся лучший кандидат - электронные вакуумные лампы • Которые использовались сначала совместно с реле • А потом их всех вытеснили полупроводники