电子计算机的历史,第4部分:电子革命




到目前为止,我们一直记得建立数字电子计算机的前三个尝试中的每一个:John Atanasov构思的Atanasov-Berry ABC计算机; 由汤米·弗洛斯(Tommy Flowers)和ENIAC领导的英国巨像项目,由宾夕法尼亚大学摩尔学院创建。 实际上,所有这些项目都是独立的。 尽管ENIAC项目的主要推动力量John Mouchley了解Atanasov的工作,但ENIAC计划与ABC完全不同。 如果说电子计算设备有一个共同的祖先,那它就是一个温和的Winn-Williams计数器,它是第一个使用电子灯进行数字存储的设备,并允许Atanasov,Flowers和Mowchli走上创建电子计算机的道路。

但是,这三台机器中只有一台在随后的事件中起作用。 美国广播公司(ABC)从来没有做过任何有用的工作,总的来说,很少有人知道它。 两辆军用车辆证明它们在纯速度方面可以胜过任何其他现有计算机,但是,即使在击败德国和日本之后,巨人军团仍然是秘密。 只有ENIAC广为人知,因此成为电子计算标准的持有者。 现在,每个想要创建基于电子管的计算设备的人都可以确认摩尔学院的成功,以进行确认。 直到1945年,满足了所有此类项目的工程界对此深表怀疑。 怀疑论者要么改变主意,要么保持沉默。

EDVAC报告


基于创建和使用ENIAC的经验的1945年发布的文档为第二次世界大战后世界计算机技术的发展定下了基调。 它被称为“ EDVAC报告的初稿”(电子离散变量自动计算机),并为现代意义上编程的第一台计算机(即执行从高速存储器中提取的命令)提供了架构模式。 尽管其中列出的思想的确切来源仍然是讨论的话题,但它是代表数学家约翰·冯·诺伊曼John Janos Lajos Neumann)签名的。 出于数学思维的特点,该文档还首次尝试从特定机器的规格中提取计算机电路; 他试图将计算机结构的本质与各种可能的和随机的化身分开。

冯·诺伊曼(Von Neumann)出生于匈牙利,经普林斯顿(新泽西州)和洛斯阿拉莫斯(新墨西哥州)进入ENIAC。 1929年,他作为杰出的年轻数学家,对集合论,量子力学和博弈论做出了杰出贡献,离开欧洲来到普林斯顿大学任职。 四年后,附近的高级研究所(IAS)为他提供了该州终生的职位。 由于欧洲纳粹主义的发展,冯·诺伊曼(von Neumann)高兴地抓住了无限期地留在大西洋彼岸的机会-成为纳粹欧洲最早的犹太知识分子之一。 战争结束后,他感叹:“我对欧洲的感觉与怀旧截然相反,因为我所知道的每个角落都使我想起一个消失的世界和无法带来安慰的废墟,”并回忆说“他从1933年到1938年对人类的完全失望。”

冯·诺依曼(von Neumann)摆脱了年轻时失散的跨国欧洲,他全力以赴帮助属于他的国家的战争机器。 在接下来的五年中,他环游了全国,就各种新型武器项目提供了建议和建议,并设法以某种方式成为一本多产的博弈论著作的合著者。 作为顾问,他最秘密和最重要的工作是他在曼哈顿计划中的职位-试图制造原子弹-他的研究团队在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯。 1943年夏天,罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)招募了他,以帮助进行该项目的数学建模,他的计算结果使该小组的其他成员朝着炸弹的方向向内爆炸,向炸弹的方向移动。 由于炸药将易裂变材料向内移动,这种爆炸本来可以实现自我维持的连锁反应。 结果,为了在理想的压力下向内定向完成理想的球形爆炸,需要进行大量的计算-任何错误都会导致连锁反应和炸弹惨败的中断。


冯·诺伊曼(Von Neumann)在洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)工作

在洛斯阿拉莫斯(Los Alamos),一组二十人从事计算机工作,他们可以使用台式计算器,但是他们无法应付计算量。 科学家给了他们IBM用于打孔卡的设备,但他们仍然没有时间。 他们要求IBM提供改进的设备,并于1944年收到了设备,但仍然没有时间。

到那时,冯·诺依曼(von Neumann)为在全国各地进行的巡游增加了另一套游览地点:他在所有可能的地点旅行,寻找对洛斯阿拉莫斯有用的计算机设备。 他写了一封信给国防研究委员会(NDRC)应用数学系主任沃伦·韦弗(Warren Weaver),并收到了一些不错的建议。 他去哈佛看了马克一世,但他已经为舰队忙得不可开交。 他与George Stibitz进行了交谈,并考虑为Los Alamos订购Bell的中继计算机,但是在得知需要花费多长时间之后,他放弃了这个想法。 他访问了哥伦比亚大学的一个小组,该小组将几台IBM计算机组合成一个运行Wallace Eckert的大型自动化系统,但是与Los Alamos中已有的IBM计算机相比,并没有明显的改进。

但是,Weaver没有将他授予von Neumann的项目中包括一个项目:ENIAC。 他绝对了解他:在他担任应用数学总监的职位上,他有义务监视该国所有计算机项目的进度。 韦弗和国家发改委肯定会对ENIAC的可行性和时机产生怀疑,但令人惊讶的是,他甚至没有提到ENIAC的存在。

不管是什么原因,但结果是冯·诺依曼(von Neumann)只是偶然地在铁路平台上碰面,才发现了ENIAC。 这个故事是由建立ENIAC的摩尔学院测试实验室的中介人赫尔曼·戈德斯坦(Herman Goldstein)讲述的。 戈德斯坦于1944年6月在阿伯丁火车站遇到冯·诺伊曼-冯·诺伊曼带着他的一次咨询离开,他作为科学咨询委员会的成员在阿伯丁弹道研究实验室接受了咨询。 戈德斯坦知道冯·诺伊曼(Von Neumann)作为一个伟人的声誉,因此开始与他对话。 为了给人留下深刻的印象,他不得不提到在费城开发的一个有趣的新项目。 冯·诺依曼(Von Neumann)的方法立即从仁慈的同事变成了强硬的控制者,他用与新计算机细节有关的问题轰炸了戈德斯坦。 他为洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)找到了一个有趣的潜在计算机功能新来源。

冯·诺依曼(Von Neumann)于1944年9月首次访问了Presper Eckert,John Mouchley和ENIAC团队的其他成员。他立即爱上了这个项目,并将另一个项目添加到了他的长期咨询组织中。 双方都从中受益。 显而易见,高速电子计算的潜力如何吸引了冯·诺依曼。 ENIAC或类似的机器能够克服所有阻碍曼哈顿项目和许多其他现有项目或潜在项目进展的计算约束(但是,今天仍然有效的萨伊定律确保了计算能力的出现将很快引起对它们的同等需求) 。 对于摩尔的学校而言,像冯·诺依曼这样享誉专家的祝福意味着对他们的怀疑的终结。 此外,由于他的思维活跃,在全国各地都有丰富的工作经验,因此他在自动计算领域的知识广度和深度无与伦比。

这就是冯·诺依曼(von Neumann)参与埃克特(Eckert)和穆奇利(Mouchley)创建ENIAC追随者的计划的方式。 他们与德国戈德斯坦和另一位ENIAC数学家亚瑟·伯克斯(Arthur Burks)一起开始为第二代电子计算机制作参数草图,冯·诺依曼(von Neumann)在“初稿”的报告中总结了该小组的想法。 新机器应该变得更强大,轮廓更平滑,并且最重要的是要克服使用ENIAC的最大障碍-为每个新任务进行许多小时的调整,在此期间,这台功能强大且极其昂贵的计算机只是闲置了。 新一代机电设备的开发者,哈佛Mark I和Bell的中继计算机通过在计算机上打孔的纸带输入指令来避免这种情况-操作员可以在机器解决其他任务时准备纸张。 但是,这样的数据输入会否定电子设备的速度优势; 没有任何纸可以像ENIAC一样接收数据。 (“ Colossus”使用光电传感器在纸张上工作,它的五个计算模块中的每一个都以每秒5000个字符的速度吸收数据,但这只有通过尽可能快地滚动胶带才能实现。切换到胶带上的任意位置需要延迟0,每5000线5秒)。

解决“第一稿”中描述的问题的方法包括将指令存储从“外部记录介质”转移到“内存”-这个词是第一次与计算机数据存储相关的(冯·诺伊曼在工作中特别使用了这个术语和其他生物学术语-他对大脑的工作以及神经元中发生的过程非常感兴趣。 这个想法后来被称为“程序存储”。 但是,这立即导致了另一个问题-混淆了Atanasov,即电子灯的过高成本。 “第一稿”估计,一台能够执行各种计算任务的计算机将需要250,000个二进制数的存储器来存储指令和临时数据。 这种尺寸的电子管上的存储器将花费数百万美元,并且是完全不可靠的。

埃克特(Eckert)提出了解决这一难题的方法,他根据摩尔学院与美国中央雷达技术研究中心MIT的Rad Lab的合同,在1940年代从事雷达研究。 具体来说,埃克特(Eckert)研究了一种称为“移动目标指示器(MTI)”的雷达系统,该系统解决了“地面照明”的问题:建筑物,丘陵和其他固定物体在雷达屏幕上产生的任何噪声,使操作员难以隔离重要的物体。信息-飞机的大小,位置和速度。

在MTI,使用称为延迟线的设备解决了闪光问题。 他将雷达的电脉冲转换成声波,然后将这些波通过水银管发送,使声音传到另一端,并在雷达重新扫描天空中的同一点时将其转换回电脉冲(延迟线进行传播)。声音也可以被其他媒体使用:根据某些消息来源,不同的液体,固体晶体甚至空气,它们的想法是由贝尔实验室的物理学家威廉·肖克利(William Shockley)发明的,后来他对此进行了研究。 与通过手机发出的信号同时来自雷达的任何信号均被视为来自静止物体的信号,并被删除。

Eckert意识到,可以将延迟线中的声音脉冲视为二进制数字-1表示存在声音,0-表示声音不存在。 一个汞管可能包含成百上千个这样的数字,每个数字都在一毫秒内多次通过生产线,也就是说,计算机将需要等待数百微秒才能访问该数字。 同时,访问手机中的连续数字将更快,因为数字仅共享了几微秒。


英国EDSAC计算机中的汞延迟线

解决了计算机电路中的主要问题之后,冯·诺伊曼(von Neumann)在1945年春季的“初稿”的101页报告中收集了整个小组的想法,并将其分配给第二代EDVAC项目的关键人物。 很快他进入了其他圈子。 例如,数学家莱斯利·科姆里(Leslie Comrie)在1946年访问了摩尔的学校后,就随他带了一个副本到英国的家,并与他的同事们分享了。 该报告的分发在埃克特和莫赫利之间引起了愤慨,其原因有二:首先,该报告编写过程中的大多数优点归功于该草案的作者冯·诺伊曼。 其次,实际上,该系统中包含的所有主要思想都是从专利局的角度发布的,这干扰了他们将电子计算机商业化的计划。

反过来,埃克特(Eckert)和莫奇(Mauchly)的罪行的根源激起了数学家的愤怒:冯·诺伊曼(von Neumann),戈德斯坦(Goldstein)和伯克斯(Burks)。 从他们的角度来看,该报告是一项重要的新知识,需要根据科学进步的精神尽可能广泛地传播。 此外,整个企业都是由政府资助的,因此也由美国纳税人资助。 埃克特(Eckert)的商业主义以及莫赫利(Mauchly)试图在战争中赚钱的企图使他们感到沮丧。 冯·诺依曼(Von Neumann)写道:“知道我正在为一个商业团体提供咨询,我永远不会担任大学的顾问一职。”

各派的方式在1946年发生了分歧:埃克特(Eckert)和穆奇利(Mouchley)在基于ENIAC技术的看似更安全的专利的基础上开设了自己的公司。 最初,他们将公司命名为电子控制公司,但第二年将其更名为Eckert-Mauchly Computer Corporation。 冯·诺依曼(Von Neumann)返回国际会计准则(IAS)创建基于EDVAC的计算机,戈德斯坦(Goldstein)和伯克斯(Burks)也加入了他。 为了避免与Eckert和Mouchley再次发生这种情况,他们确保新项目的所有知识产权都成为公共领域。


冯·诺依曼(Von Neumann)站在1951年制造的IAS计算机前。

献给艾伦·图灵的务虚会


英国数学家艾伦·图灵(Alan Turing)是绕过EDVAC报告的人。 图灵不是最早创建或提出自动计算机,电子计算机或任何其他计算机的科学家之一,一些作者大大夸大了他在计算机技术历史中的作用。 但是,我们必须赞扬他是第一个意识到计算机不能仅仅通过简单地处理大量数字来“计算”某些东西的人。 他的主要思想是,人类心灵处理的信息可以表示为数字,因此任何心理过程都可以转化为计算。


艾伦·图灵(Alan Turing),1951年

1945年底,图灵发表了自己的报告,其中提到冯·诺伊曼(von Neumann),名称为“电子计算机的建议”,旨在供英国国家物理实验室(NPL)使用。 他没有对拟议的电子计算机的具体设计细节进行过多研究。 他的计划反映了逻辑专家的思想。 他不应该具有用于​​高级功能的专用设备,因为它们可以由低级原语组成。 这台机器优美的对称性将是一个丑陋的产物。 图灵也没有为计算机程序分配任何线性内存-数据和指令可以共存于内存中,因为它们仅仅是数字。 一条指令只有在这样解释时才成为一条指令(Turing在1936年的著作“计算所得的数字”已经研究了静态数据和动态指令之间的关系。他描述了后来被称为“ Turing machine”,并展示了如何将其转化为数字和作为通用图灵机的输入,可以解释和执行任何其他图灵机。 由于Turing知道数字可以代表任何形式的整齐定义的信息,因此他将任务列表包括在此计算器上求解的任务中,不仅包括构造炮台和线性方程组的解决方案,而且还包括难题和象棋研究的解决方案。

自动图灵计算机(ACE)从未以其原始形式创建。他太慢了,他不得不与更热心的英国计算机项目竞争以寻找最好的人才。该项目滑坡了几年,然后图灵对他失去了兴趣。 1950年,NPL使Pilot ACE成为一台较小的机器,并且设计略有不同,此外,其他几个计算机项目也从1950年代初期的ACE体系结构中汲取了灵感。但是她无法扩大影响力,因此很快就被遗忘了。

但是,所有这些都不能低估图灵的功绩,只是有助于使他处于正确的环境中。它对计算机历史的影响的重要性不是基于1950年代的计算机设计,而是基于他为1960年代出现的计算机科学准备的理论基础。他在数学逻辑方面的早期工作研究了可计算和不可计算的边界,成为新学科的基础课本。

悠闲革命


随着有关ENIAC的新闻和EDVAC报告的传播,摩尔的学校已成为朝圣的地方。许多来访者“在大师的脚下”学习,尤其是来自美国和英国。为了简化上访者的流程,学校的院长于1946年不得不在自动计算机上组织了基于邀请的暑期学校。埃克特(Eckert),莫赫利(Mauchly),冯·诺伊曼(von Neumann),伯克斯(Burks),戈德斯坦(Goldstein)和霍华德·艾肯(Howard Aiken)(哈佛机电计算机Mark I的开发者)等名人演讲。

现在几乎每个人都想根据EDVAC报告中的指令来创建机器(具有讽刺意味的是,运行存储在内存中的程序的第一台机器是ENIAC本身,它在1948年被重做以使用存储在内存中的指令。直到那之后,他才开始在新产品中成功工作房子,阿伯丁测试站点)。即使以1940年代和50年代创造的新计算机设计的名义,也可以追溯到ENIAC和EDVAC的影响。即使您不考虑UNIVAC和BINAC(在Eckert和Mouchley的新公司中创建)和EDVAC本身(在创始人离开后在摩尔的学校完成),AVIDAC,CSIRAC,EDSAC,FLAC,ILLIAC,JOHNIAC,ORDVAC仍然存在,SEAC,SILLIAC,SWAC和WEIZAC。他们中的许多人直接复制了免费发布的IAS设计(稍作修改),使用有关知识产权的冯·诺依曼公开政策。

但是,电子革命逐渐发展,逐步改变了现有秩序。第一辆EDVAC风格的汽车直到1948年才出现,这只是一个小型项目,证明了这一概念是可行的,曼彻斯特的“孩子”旨在确认威廉姆斯管上记忆的可行性。(大多数计算机从汞管切换到另一种类型的存储器,这也要归功于雷达技术。它不是使用CRT屏幕来代替汞管。英国工程师Frederick Williams是第一个考虑如何解决这种存储器稳定性问题的人,因此驱动器有他的名字)。 1949年,又生产了四辆汽车:全尺寸的曼彻斯特马克一世,剑桥大学的EDSAC,悉尼的CSIRAC(澳大利亚)和美国的BINAC,尽管后者没有用。在接下来的五年中,一小部分稳定的计算机仍在继续。

一些作者形容ENIAC仿佛掩盖了过​​去,立刻将我们带入了电子计算时代。因此,真实证据被大大扭曲了。 “全电子ENIAC的出现几乎立即使Mark I淘汰了(尽管在此之后的15年中它又成功地工作了),” Katherine Fishman写道(计算机机构,1982年)。这种说法显然与自己相反,以至于人们会认为菲什曼小姐的左手不知道她的右手在做什么。当然,您可以将其写到简单记者的笔记上。但是,我们发现,一对真正的历史学家再次选择马克一世为鞭打的男孩,并写道:“哈佛马克一世不仅是技术上的死胡同,而且他在十五年的工作中没有做任何非常有用的事情。它被用于海军的多个项目,在那里,这台机器被证明对海军有用,足以为艾肯实验室的“ [Aspray and Campbell-Kelly]”订购更多计算机。再次,一个明显的矛盾。

实际上,中继计算机有其自身的优势,并且继续与电子表兄弟同时工作。第二次世界大战后,甚至在1950年代初,日本也创造了几台新的机电计算机。中继机器更易于设计,制造和维护,它们不需要那么多的电力和空调(即可散发成千上万个灯泡散发出来的大量热量)。 ENIAC使用了150 kW的电力,其中20都用于冷却。

美国军方仍然是计算能力的主要消耗者,并且没有忽略“过时的”机电模型。在1940年代后期,军队拥有四台中继计算机供其使用,而舰队则有五台。由于ENIAC,Bell和IBM的中继计算器以及旧的差分分析仪在此工作,阿伯丁的弹道研究实验室已积累了全球最大的计算能力。在1949年9月的报告中,每个人都有自己的位置:ENIAC在进行长时间的简单计算后效果最佳;由于指令膜的长度几乎是无限的并且具有浮点运算能力,因此Model V的Bell计算器可以更好地处理复杂的计算,并且IBM可以处理存储在打孔卡中的大量信息。同时,某些操作(例如提取立方根)仍然更容易手动完成(结合使用表格和桌面计算器)并节省了机器时间。

电子计算机革命结束的最好标志不是1945年ENIAC诞生,而是1954年IBM 650和704计算机问世,它们不是第一批商用电子计算机,而是第一批数百台生产的电子计算机,并确定了IBM在该领域的主导地位。计算机工业持续三十年。托马斯·库恩(Thomas Kuhn)的术语来说,电子计算机不再是1940年代的一种奇怪反常现象,仅存在于像阿塔纳索夫(Atanasov)和穆奇里(Mouchli)这样的流浪汉的梦中。他们已经成为普通科学。


IBM 650台计算机中的一台,在本例中为Texas A&M University的实例。磁鼓(底部)上的内存使其相对较慢,但也相对便宜。

离开巢穴


到1950年代中期,数字计算设备的电路和设计已经脱离了它的起源,后者起源于模拟系统的开关和放大器。 1930年代和40年代初的计算机电路在很大程度上依赖于物理实验室和雷达的思想,尤其是电信工程师和研究部门的思想。现在,计算机已经组织了自己的领域,并且该领域的专家已经开发出自己的想法,词汇和工具来解决自己的问题。

一台计算机以现代意义出现,因此我们的中继历史即将结束。但是,电信界还有另一张有趣的王牌。由于缺少活动部件,电子灯超过了继电器。而且,我们历史上的最后一个继电器的优势是完全没有任何内部零件。由于新的电子学分支,即“固态”,出现了看起来无害的物质团,从其中伸出了几根电线。

尽管电子灯是高速的,但是它们仍然昂贵,大,热并且不是特别可靠。在他们身上,不可能制造出笔记本电脑。冯·诺依曼(Von Neumann)在1948年写道:“在我们被迫采用当前技术和哲学的同时,我们不可能将开关的数量超过10,000(或几万)。”固态继电器使计算机能够一次又一次地超越这些限制,从而克服了这些限制。进入小型企业,学校,房屋,家用电器的日常生活,并装在口袋里;创建一个神奇的数字国家,渗透到我们当前的生活中。为了找到其起源,我们需要倒退五十年前的时光,并回到有趣的无线技术早期。

还有什么要读的:

  • 大卫·安德森(David Anderson),“曼彻斯特婴儿计划在布莱奇利公园(Blechley Park)受孕吗?”,英国计算机学会,(2004年6月4日)
  • William Aspray,John von Neumann和《现代计算的起源》(1990年)
  • Martin Campbell-Kelly和William Aspray,《计算机:信息机器的历史》(1996年)
  • 托马斯·海格(Thomas Haigh)等。等,《行动中的艾尼亚克(2016)》
  • 约翰·冯·诺依曼(John von Neumann),“ EDVAC报告初稿”(1945年)
  • 艾伦·图灵,“拟议的电子计算器”(1945年)

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN447916/


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