60 лет компьютерной эры

Это событие стало началом компьютерной эры.

В феврале 1946 года Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мочли готовились впервые представить миру электронный вычислитель. Их ENIAC — Electronic Numerical Integrator and Computer — мог решать за одну секунду 5000 задач на сложение, гораздо больше, чем любое известное тогда устройство.

Впоследствии эта способность преподнести себя оказалась очень кстати для ENIAC, 60-летие которого будет отмечаться на этой неделе в Школе Мура (Moore School of Electrical Engineering) при университете штата Пенсильвания (Penn). Многие историки признают, что другие компьютеры появились раньше: Z3 в Германии, Colossus в Англии и Atanasoff-Berry Computer в университете штата Айова. Но ENIAC сделал нечто более важное: он разжег воображение ученых и предпринимателей.

За несколько лет компьютеры появились в университетах, госучреждениях, банках и страховых компаниях. Компьютер UNIVAC (конечно же, с декоративными лампочками), построенный компанией, которую впоследствии основали Экерт и Мочли, предсказал результаты президентских выборов 1952 года; другой фигурировал в рекламе бюстгальтера, пропагандируя еще одно научное достижение. Английская вычислительная машина Colossus приобрела известность в военных кругах. Но после Второй мировой войны она была демонтирована и десятилетия оставалась засекреченной.

Среди других компьютеров, которые выполняли такие же практические функции, ENIAC был в техническом отношении белой вороной. Он опирался на 10-значную десятичную систему, а не на двоичную из единиц и нулей, как практически все последующие компьютеры, даже те, что разработали Экерт и Мочли. ENIAC не хранил программы. И не использовал условные переходы — краеугольный камень современного программирования.

И ENIAC был построен фактически в одном экземпляре.

«Это было чудовище. Машины общего назначения быстро его обошли, — вспоминает Джей Форрестер, профессор Массачусетского технологического института и один из ведущих архитекторов вычислительной техники прошлого века. — В нем не было ничего, что сохранилось бы в современных машинах, за исключением разве что электричества».

Но сторонники приводят в его защиту неоспоримый довод: он работал. До 1955 года, когда ENIAC был парализован молнией, он решал задачи, связанные с разработкой водородной бомбы и другими военными проектами. Профессор Penn Иривн Брейнерд как-то даже заявил, что за те 80223 часа, которые проработал ENIAC, он выполнил больше вычислений, чем все человечество за всю свою историю.

«Некоторые, основываясь на опыте замены ламп в их домашних радиоприемниках, говорили, что этот монстр не проработает и пяти минут! Однако все лампы „прожигались” (тестировались) по 100 часов, поэтому проблем с ними не было», — сообщил в интервью по e-mail 90-летний инженер ENIAC Гарри Хаски, который живет в Южной Каролине.

Некоторые конкуренты ENIAC, а именно ABC и Z3, были гораздо медленнее и могли решать только простые задачи. ABC, который выполнял вычисления только для демонстраций, возможно, вообще так и не был достроен — об этом ведутся споры. Впоследствии опыт изобретателей этих компьютеров стал поучительной историей об амбициях ученых.

Победить Германию
ENIAC и его современники уходят корнями во Вторую мировую войну. У артиллеристов были таблицы для расчета траектории полета снарядов, но вычисление переменных — угла наклона ствола, условий местности и других факторов — составляло головокружительную задачу.

На то, чтобы вычислить одну траекторию (из нескольких сотен) при помощи ручного арифмометра, уходило 40 часов, и даже электромеханические устройства типа изобретенного Ванневаром Бушем дифференциального анализатора тратили на это по 30 минут. Баллистические таблицы имели в лучшем случае ограниченное тактическое значение, рассказывает профессор вычислительной техники Penn Митчелл Маркус.

В то же время ученые пытались найти способы ускорения работы электромеханических машин и исключения ошибок, вызванных застрявшими кулачками или плохим сцеплением шестерней. В 1937 году профессор университета штата Айова Джон Атанасофф набросал на салфетке в баре идею электрической машины, способной решать уравнения посредством двоичной арифметики.

С помощью дипломированного студента Клиффорда Берри и нескольких грантов на исследования Атанасофф построил прототип компьютера ABC, который продемонстрировал в октябре 1939 года. В 1941 году была создана его усовершенствованная версия на 300 лампах, которая решала задачу за несколько секунд. Она работала, но начало войны вынудило Атанасоффа и Берри бросить эту работу и срочно заняться оборонными проектами.

Мочли, в то время профессор физики Ursinius College, работал над наукой совсем иного рода, исследуя способы повышения качества прогноза погоды при помощи аналогового устройства, называемого анализатором гармоник. В декабре 1940 года Атанасофф побывал на лекции Мочли, после чего они начали переписываться и обсуждать возможности электронных компьютеров.

Вскоре у Мочли произошла другая решающая встреча. Увлеченный электроникой, он поступил на курс Экерта в Школе Мура. К концу 1941 года Мочли уже сам преподавал в Penn и обсуждал идеи компьютера с Экертом.

Двое ученых хорошо дополняли друг друга. Мочли был физиком и математиком, но техникой в начале своей карьеры пренебрегал. Экерт, единственный сын в богатой, влиятельной семье из Филадельфии, любил работать руками. В 14 лет он собрал систему связи в доме своего отца, которую позднее у него купила компания Connecticut Telephone and Telegraph.

«Экерт был абсолютным гением электротехники. Он один из лучших конструкторов 20-го века, — говорит Майкл Уильямс, почетный профессор истории университета Калгари и вновь избранный президент Института инженеров по электротехнике и электроники. — А Мочли умел предвидеть, как должна работать такая машина».

Идеи воплощаются в жизнь
Мочли отразил свою идею в пятистраничной записке, озаглавленной: «Использование устройств на вакуумных лампах для вычислений». Он изложил идеи, которые пробились сквозь университетско-чиновничью бюрократию и в конечном итоге вылились в контракт W-670-ORD-4926. По этому соглашению, подписанному 5 июня 1943 года, Penn должен был исследовать возможность создания электронного дифференциального анализатора для штаба артиллерии сухопутных войск США.

Предполагалось, что работа продлится шесть месяцев и обойдется в $61 700. Как оказалось впоследствии, стоимость и время были серьезно недооценены. ENIAC прошел внутренние испытания только через два с половиной года, в ноябре 1945, а окончательная стоимость проекта составила $487 тыс. Однако несмотря на перерасход, это было настоящее инженерное чудо.

Решением математических уравнений и программированием функций занимались в основном шесть техников. Так как эта работа считалась продолжением канцелярской, ее поручили женщинам, как это было принято в те годы. «Это были первые программисты, и они не получили заслуженного признания, — говорит Кэтрин Кляйман, адвокат по интернет-приватности фирмы McLeod, Watkinson and Miller и член комитета женщин при Ассоциации вычислительной техники.

Одна из главных проблем заключалась в том, чтобы предотвратить перегорание ламп. Они должны были пропускать импульсы 100 тыс. раз в секунду, и в машине их было очень много, поэтому угроза перегорания ламп висела постоянно. Экерт решил эту проблему, эксплуатируя лампы ниже порога и спроектировав систему, исходя из условий «наихудших из наихудших сценариев», говорит Уильямс.

Другая проблема, явно менее техническая, но ничуть не менее важная, заключалась в борьбе с грызунами. «Мы знали, что мыши едят изоляцию проводов, поэтому положили в клетку с мышами провода всех доступных видов и смотрели, какая изоляция им не нравится. Эти провода мы и использовали», — рассказывал Экерт в 1989 году в интервью Алексу Рандаллу, профессору электротехники университета Virgin Islands и другу своей семьи.

Наконец, в ноябре 1945 года ENIAC прошел первые полные испытания — в него загрузили данные, относящиеся к решению задач, связанных с водородной бомбой. 14 февраля 1946 года школа Мура пригласила на демонстрацию представителей армии, профессоров Penn и избранных ученых со всей страны. Вопреки популярному мифу, свет в Филадельфии не погас, и солдаты машине не салютовали.

Вопреки же мифу, большинству людей до этого не было никакого дела. Хотя в школу Мура немедленно начали поступать запросы от других университетов и исследователей, публика в основном проигнорировала это событие, несмотря на передовицы газет. Конечно, впоследствии все изменилось. «Я не думаю, что можно сказать, что после презентации было много фанфар, — пишет Артур Беркс, один из первых инженеров проекта. — Те, кто был в курсе, ожидали многого, но даже они не могли предположить, во что это выльется через годы».

Как он работал
Основу ENIAC составляло устройство, называемое кольцевым счетчиком, которое состояло из 10 ламп, соединенных в кольцо. Цифра «5» представлялась импульсом на пятой лампе. Если прибавить к ней 9, то импульс смещался к четвертой лампе и поступал на первую лампу второго кольца, соответствующего десяткам.

Кольцевые счетчики размещались в накопителях, которые могли хранить положительные числа до 10 млрд минус единица (9 999 999 999) или отрицательные до минус 10 млрд плюс единица. Когда один накопитель переполнялся, импульс передавался по проводам во второй. В ENIAC было 20 накопителей в 40 стойках, соединенных через вдвижные платы. Данные хранились в форме импульсов в 1,5-метровых ртутных лампах.