15 лютого в Пенсильванському університеті запрацював перший повністю електронний комп’ютер. Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) від самого початку створювався на замовлення американських військових, але відіграв надзвичайно важливу роль у тому, що обчислювальні машини згодом стали використовуватися в усіх сферах людського життя.
Перші комп’ютери
Зараз електронні комп’ютери, які можуть виконувати обчислення у будь-якій сфері зі швидкостями, що на порядки випереджають здатності найталановитіших людей, є природною частиною цивілізації. Однак мало хто замислюється над тим, що перший із них з’явився завдяки військовим потребам лише 80 років тому, 15 лютого 1946 року. Його назва — ENIAC.
Але тут треба зробити ремарку. Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) — не був ані першим комп’ютером як таким, ані першим обчислювальним пристроєм, що використовував електрику. То чому ж саме від нього відраховують сучасну цифрову цивілізацію?
Почнімо з того, що питання про те, який із винайдених людьми пристроїв можна з упевненістю назвати «комп’ютером», тобто «обчислювачем», залишається спірним. Абак, або ж рахівниця, з’являється вже у Месопотамії у 2300–2700 роках до н. е., і ніхто не буде сперечатися, що він значно полегшує розрахунки у порівнянні з тим, щоб робити їх у голові, на пальцях чи на грифельній дошці.
Однак насправді питання про створення машини, що вміє рахувати, виникло у XVIII–XIX століттях, коли розвиток промисловості призвів як до різкого підвищення потреби у розрахунках, так і до появи технологій, які потенційно могли б її задовольнити.
Власне, вперше ідея про створення універсального обчислювача, можливості якого виходять далеко за межі розрахунку якоїсь єдиної величини, з’явилися ще у середині XIX століття у Великій Британії. Одна запропонована Чарльзом Бебіджем та Адою Лавлейс «різницева машина» з погляду сучасного користувача комп’ютера здавалася максимально дивною. Це був набір важелів та шестерень, які приводилися до руху механічними силами. Не дивно, що чисто механічний комп’ютер, що повинен був мати функціонал сучасної техніки, так і не був завершений.
Проблема зростання обсягу розрахунків лише загострювалася, і її доводилося розв’язувати за рахунок людської праці. Власне, слово «комп’ютер», тобто «обчислювач», спершу означало не машину, а професію. Це була інтелектуальна, проте відносно низькооплачувана робота, тож не дивно, що здебільшого обчислювачами були жінки.
При цьому ідея підвищити ефективність їхньої праці за допомогою пристрою, складнішого за рахівницю і винайдену у XVII столітті логарифмічну лінійку, нікуди не поділася. Однак численні зразки машин розміром із кімнату чи навіть будинок, здатних виконувати складні розрахунки, так і залишалися експериментами.
Замість цього ще у ХІХ значно простіші пристрої — арифмометри. Вони використовувалися переважно у межах чотирьох основних арифметичних операцій, але при цьому вміщувалися на столі й потребували від оператора спеціальної підготовки, крім чисто математичної, й уміння крутити руків’я та перемикачі.
Власне, у Другу світову війну навіть найрозвинутіші держави світу увійшли, маючи як основний засіб для складних розрахунків зали з людьми-обчислювачами, озброєними арифмометрами, логарифмічними лінійками, різноманітними таблицями й інструкціями щодо того, як звести найскладніші математичні операції до простих маніпуляцій із механічними монстриками на їхніх столах.
Магазин від Universe Space Tech
Комплект журналів Місяць, Сонце та Юпітер & Сатурн
До товару
Артилерійські таблиці
Проте саме війна показала, що всього цього недостатньо. І особливо добре це було видно на проблемі артилерійських таблиць. Траєкторію снаряда, випущеного з гармати, можна розрахувати з високою точністю, однак для цього треба враховувати не тільки його калібр і кут, під яким відбувається постріл, а й те, як він влаштований всередині, довжину ствола, атмосферні умови й іще кілька параметрів.
Загалом це близько 1000 розрахунків на кожну таку комбінацію параметрів, і виконувати їх у польових умовах практично неможливо навіть зараз. Замість цього математики мали надати офіцерам-артилеристам книжку з таблицями, в яких можна було просто знайти готову відповідь.
Але спочатку всі ці розрахунки для всіх наявних калібрів і типів снарядів необхідно було виконати. Лише на один тип боєприпасів треба було обрахувати 3000 траєкторій, а обчислювач з арифмометром розраховував одну за 16 діб. І це означало, що робота могла затягнутися на роки, а результат був потрібний у найкоротші терміни.
Електронна обчислювальна машина
Ідея про те, що можна побудувати машину, яка використовуватиме електронні компоненти замість шестерень і тому працюватиме набагато швидше й надійніше за арифмометр, була чудово відома математикам ще до початку Другої світової.
У Німеччині інженер Конрад Цузе ще 1938 року створив обчислювальну машину Z1, яка була збудована на основі електромеханічних реле, тобто являла собою гібридну модель. Проте з успіхом використовувалася і для військових розрахунків. Пізніше Цузе створив навіть комп’ютер, який можна було програмувати, вводячи команди з клавіатури.
У США авторами ідеї, що лише одна електронна машина зможе виконувати складні розрахунки швидше, ніж цілий відділ людей з арифмометрами, стали Джон Еккерт та Джон Моклі, які працювали у підрозділі Пенсильванського університету, який звався електротехнічною Школою Мура. Саме вона була підрядником у проєкті розрахунку артилерійських таблиць, і саме тут готували для нього обчислювачів та методику їхньої роботи.
Про можливість прискорити процес за допомогою створення електронного комп’ютера Моклі написав ще у 1942 році, але про цю ідею згадали тільки за рік, коли куратору від військових Герману Гольдштейну остаточно стало зрозуміло, що проєкт не просувається як треба. Голдстайн і сам був математиком, його дружина Адель працювала обчислювачемиу школі Мура, тому ідею Еккерта і Моклі він сприйняв дуже схвально і зміг довести її до командування. Проєкт, який спочатку називався «електронний дифф. аналізатор», потім Electronic Numerical Integrator і, нарешті, Electronic Numerical Integrator and Computer, ухвалили. Зрештою, слово, додане в останній момент, стало назвою нового типу пристроїв.
Конструкція ENIAC
Проте будівництво ENIAC було не таким простим завданням. Крім того, що досі ніхто нічого подібного не створював, сам він був велетенською машиною: вагою 30 тонн, розміром із велику кімнату і споживав 174 кВт електроенергії. При цьому усе це були далеко не металеві болванки. Комплекс складався із 17 468 ламп 16 різних типів, 7200 кремнієвих діодів, 1500 реле, 70 000 резисторів і 10 000 конденсаторів.
Така кількість деталей означала, що щосекунди існувало 1,8 мільярда потенційних способів виходу комп’ютера з ладу. Тож багато фахівців стверджували, що він узагалі не зможе працювати достатньо довго, аби його можна було практично використовувати.
Проте на проєкт було витрачено 200 тис. людино-годин людської праці, причому переважно це була робота найкращих математиків США. В якийсь момент від роботи над розрахунками майбутньої атомної бомби відволіклися і стали консультантами Станіслав Улям та Джон фон Нейман. На лампи вирішено було подавати завідомо нижчу напругу, ніж вони могли витримати, а повністю систему не вимикали ніколи, щоб зменшити можливе навантаження на лампи.
В результаті мінімальний термін роботи ENIAC між двома поламками складав 20 годин. Однак за цей час він виконував місячну роботу цілого відділу обчислювачів. Його тактова частота складала 100 кГц. Операція складання займала у нього 10 мікросекунд, операція множення — 2,8 мілісекунди. За сучасними мірками це надзвичайно скромні цифри, але було набагато краще, ніж будь-яка людина-обчислювач.
До речі, останні не залишилися без роботи. З початком Другої світової війни на цю посаду брали переважно жінок. І саме серед них Гаррі Голдстейн шукав людей, які будуть працювати із комп’ютером, коли він буде готовий. Саме тому усі шестеро програмістів, які із ним працювали були жінками. Керівництво ж по роботі з ним написала Адель Голдстейн.
При цьому сам процес програмування сильно відрізнявся від того, до якого ми звикли зараз. Щоб ENIAC виконував певну задачу, його блоки щоразу доводилося заново з’єднувати дротами. І в цьому він сильно поступався Z3 Конрада Цузе, який вже вмів працювати з перфокартами. Американський комп’ютер навчили цього трюку лише у 1948 році.
Робота ENIAC
У липні 1944 року були готові два перших модулі нового комп’ютера. Вчені з’єднали їх разом, перемножили числа 5 і 1000 і довели, що ідея працює. Однак повністю ENIAC був готовий тільки восени 1945 року. Друга світова війна завершилася, й артилерійські таблиці, заради яких він створювався, стали неактуальними. Однак для нього невдовзі знайшлося нове завдання.
США вже володіли атомною бомбою, однак у Станіслава Уляма та фізика Едварда Теллера з’явилася нова ідея — за допомогою ядерного вибуху ініціювати реакцію термоядерного синтезу й таким чином отримати ще потужніше джерело енергії. Саме для розрахунків, необхідних для реалізації цього задуму, використали ENIAC.
Коли 15 лютого 1946 року комп’ютер офіційно ввели в експлуатацію, він уже мав секретне завдання. Примітно, що обчислення, які виконували на ньому раніше — у листопаді — грудні 1945 року, — досі залишаються засекреченими.
Проте добре відомо, які розрахунки проводилися на ENIAC після того, як його перевезли до балістичної лабораторії у місті Абердин. На ньому розраховували обтікання повітрям крила літака, що летить швидше за звук, і результати застосування термоядерної зброї на певній території.
А у 1949 році до роботи з ENIAC повернувся Джон Фон Нейман. Він використав його для того, аби розрахувати значення чисел π та е (основи натуральних логарифмів) до 2000-го знаку. Його цікавило, чи є вони випадковими. Крім великого значення для фундаментальної науки, це питання мало велике значення для криптографії.
У 1950 році ENIAC застосували для прогнозування погоди за математичною моделлю вихору. Однак його потужності виявилося замало: щоб змоделювати погоду на наступні 24 години, комп’ютер витрачав майже ті самі 24 години.
ENIAC удосконалювали й він продовжував працювати до 1955 року. Після цього його розібрали, але деякі його частини можна зараз побачити у музеї.
Спадок ENIAC
Парадоксально, що найбільше значення ENIAC полягає не в його технічних досягненнях, а в тому, що ще до завершення проєктування його творці усвідомили: комп’ютер спроєктований неідеально. Від громіздкої десятичної системи до відсутності ефективних засобів вводу, виводу та довгострокового зберігання інформації — недоліків було багато.
Саме тому ще до закінчення робіт з будівництва ENIAC Голдстайн з компанією почали розробку наступної машини — EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Вона вже будувалася без вищевказаних недоліків і зрештою теж потім використовувалася військовими.
Ще важливішими є висновки, які зробив, консультуючи розробку ENIAC, Джон фон Нейман. Він розробив логічну схему, яка описує, як має працювати електронно-обчислювальна машина, яка відома зараз як «архітектура фон Неймана». EDVAC і всі комп’ютери після нього вже будувалися після нього, створювалися відповідно до неї.
Але й на EDVAC історія розробки не завершилася. Еккерт і Моклі створили власну компанію і випустили спочатку BINAC, а потім у 1951 році й UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer I). Він, як і всі його попередники, був кімнатою з лампами. Однак, на відміну від усього, що будувалося до того, він вже був серійною моделлю, яку продали кільком великим організаціям США. Так розпочалася ера комерційних комп’ютерів.
