15 февраля в Пенсильванском университете заработал первый полностью электронный компьютер. Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) изначально создавался по заказу американских военных, но сыграл чрезвычайно важную роль в том, что вычислительные машины стали использоваться во всех сферах человеческой жизни.
Первые компьютеры
Сейчас электронные компьютеры, которые могут выполнять вычисления в любой сфере со скоростью, на порядки превосходящей способности самых талантливых людей, являются естественной частью цивилизации. Однако мало кто задумывается над тем, что первый из них появился благодаря военным потребностям всего 80 лет назад, 15 февраля 1946 года. Он назывался ENIAC.
Но здесь нужно сделать ремарку. Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) не был ни первым компьютером как таковым, ни первым вычислительным устройством, которое использовало электричество. Так почему именно от него отчисляют современную цифровую цивилизацию?
Начнем с того, что вопрос о том, какое из изобретенных людьми устройств можно с уверенностью назвать «компьютером», то есть «вычислителем», остается спорным. Абак, или счетная доска, появляется уже в Месопотамии в 2300–2700 годах до н. э., и никто не будет спорить, что он значительно облегчает вычисления по сравнению с тем, чтобы делать их в уме, на пальцах или на грифельной доске.
Однако на самом деле вопрос о создании машины, умеющей считать, возник в XVIII–XIX веках, когда развитие промышленности привело как к резкому повышению потребности в расчетах, так и к появлению технологий, которые потенциально могли бы ее удовлетворить.
Собственно, впервые идея о создании универсального вычислителя, возможности которого выходят далеко за пределы расчета какой-то единой величины, появилась еще в середине XIX века в Великобритании. Одна предложенная Чарльзом Бэббиджем и Адой Лавлейс «разностная машина» с точки зрения современного пользователя компьютера казалась максимально странной. Это был набор рычагов и шестерен, которые приводились в движение механическими силами. Неудивительно, что чисто механический компьютер, который должен был иметь функционал современной техники, так и не был завершен.
Проблема роста объема расчетов только обострялась, и ее приходилось решать за счет человеческого труда. Собственно, слово «компьютер», то есть «вычислитель», сначала означало не машину, а профессию. Это была интеллектуальная, но относительно низкооплачиваемая работа, поэтому неудивительно, что в основном вычислителями были женщины.
При этом идея повысить эффективность их труда с помощью устройства, более сложного, чем счетная доска и изобретенная в XVII веке логарифмическая линейка, никуда не делась. Однако многочисленные образцы машин размером с комнату или даже дом, способных выполнять сложные расчеты, так и оставались экспериментами.
Вместо этого еще в XIX веке появились значительно более простые устройства — арифмометры. Они использовались преимущественно в рамках четырех основных арифметических операций, но при этом помещались на столе и требовали от оператора специальной подготовки, кроме чисто математической, и умения крутить рукоятки и переключатели.
Собственно, во Вторую мировую войну даже самые развитые государства мира вступили, имея в качестве основного средства для сложных расчетов залы с людьми-вычислителями, вооруженными арифмометрами, логарифмическими линейками, разнообразными таблицами и инструкциями о том, как свести самые сложные математические операции к простым манипуляциям с механическими монстриками на их столах.
Артиллерийские таблицы
Однако именно война показала, что всего этого недостаточно. И особенно хорошо это было видно на проблеме артиллерийских таблиц. Траекторию снаряда, выпущенного из пушки, можно рассчитать с высокой точностью, однако для этого нужно учитывать не только его калибр и угол, под которым происходит выстрел, но и то, как он устроен внутри, длину ствола, атмосферные условия и еще несколько параметров.
В общей сложности это около 1000 расчетов на каждую такую комбинацию параметров, и выполнять их в полевых условиях практически невозможно даже сейчас. Вместо этого математики должны были предоставить офицерам-артиллеристам книгу с таблицами, в которых можно было просто найти готовый ответ.
Но сначала все эти расчеты для всех имеющихся калибров и типов снарядов необходимо было выполнить. Только на один тип боеприпасов нужно было вычислить 3000 траекторий, а вычислитель с арифмометром рассчитывал одну за 16 суток. И это означало, что работа могла затянуться на годы, а результат был нужен в кратчайшие сроки.
Электронная вычислительная машина
Идея о том, что можно построить машину, которая будет использовать электронные компоненты вместо шестеренок и поэтому будет работать намного быстрее и надежнее арифмометра, была хорошо известна математикам еще до начала Второй мировой войны.
В Германии инженер Конрад Цузе еще в 1938 году создал вычислительную машину Z1, которая была построена на основе электромеханических реле, то есть представляла собой гибридную модель. Однако она с успехом использовалась и для военных расчетов. Позже Цузе создал даже компьютер, который можно было программировать путем ввода команды с клавиатуры.
В США авторами идеи, что только одна электронная машина сможет выполнять сложные расчеты быстрее, чем целый отдел людей с арифмометрами, стали Джон Эккерт и Джон Мокли, которые работали в подразделении Пенсильванского университета, называвшемся электротехнической Школой Мура. Именно она была подрядчиком в проекте расчета артиллерийских таблиц, и именно здесь готовили для него вычислителей и методику их работы.
О возможности ускорить процесс с помощью создания электронного компьютера Мокли написал еще в 1942 году, но об этой идее вспомнили только через год, когда куратору от военных Герману Гольдштейну окончательно стало ясно, что проект не продвигается как надо. Голдстайн и сам был математиком, его жена Адель работала вычислителем в школе Мура, поэтому идею Эккерта и Мокли он воспринял очень одобрительно и смог довести ее до командования. Проект, который сначала назывался «электронный дифф. анализатор», затем Electronic Numerical Integrator и, наконец, Electronic Numerical Integrator and Computer, был одобрен. В конце концов, слово, добавленное в последний момент, стало названием нового типа устройств.
Конструкция ENIAC
Однако строительство ENIAC было не такой простой задачей. Помимо того, что до сих пор никто ничего подобного не создавал, сам он был гигантской машиной: весом 30 тонн, размером с большую комнату и потреблял 174 кВт электроэнергии. При этом все это были далеко не металлические болванки. Комплекс состоял из 17 468 ламп 16 различных типов, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70 000 резисторов и 10 000 конденсаторов.
Такое количество деталей означало, что каждую секунду существовало 1,8 миллиарда потенциальных способов выхода компьютера из строя. Поэтому многие специалисты утверждали, что он вообще не сможет работать достаточно долго, чтобы его можно было практически использовать.
Однако на проект было израсходовано 200 тыс. человеко-часов человеческого труда, причем в основном это была работа лучших математиков США. В какой-то момент от работы по расчетам будущей атомной бомбы отвлеклись и стали консультантами Станислав Улям и Джон фон Нейман. На лампы решено было подавать заведомо более низкое напряжение, чем они могли выдержать, а полностью систему не выключали никогда, чтобы уменьшить возможную нагрузку на лампы.
В результате минимальный срок работы ENIAC между двумя поломками составлял 20 часов. Однако за это время он проделывал месячную работу целого отдела вычислителей. Его тактовая частота составляла 100 кГц. Операция сборки занимала у него 10 микросекунд, операция умножения – 2,8 миллисекунды. По современным меркам это очень скромные цифры, но было гораздо лучше, чем любой человек-вычислитель.
Кстати, последние не остались без работы. С началом Второй мировой войны на эту должность вступали преимущественно женщины. И именно среди них Герман Голдстайн искал людей, которые будут работать с компьютером, когда он будет готов. Именно поэтому все шесть программистов, работавших с ним, были женщинами. Руководство же по работе с ним написала Адель Голдстайн.
При этом сам процесс программирования сильно отличался от того, к которому мы привыкли сейчас. Чтобы ENIAC выполнял определенную задачу, его блоки каждый раз приходилось заново соединять проводами. И в этом он сильно уступал Z3 Конрада Цузе, который уже умел работать с перфокартами. Американский компьютер научили этому трюку только в 1948 году.
Работа ENIAC
В июле 1944 года были готовы два первых модуля нового компьютера. Ученые соединили их вместе, умножили числа 5 и 1000 и доказали, что идея работает. Однако полностью ENIAC был готов только осенью 1945 года. Вторая мировая война закончилась, и артиллерийские таблицы, ради которых он создавался, стали неактуальными. Однако для него вскоре нашлась новая задача.
США уже обладали атомной бомбой, однако у Станислава Уляма и физика Эдварда Теллера появилась новая идея — с помощью ядерного взрыва инициировать реакцию термоядерного синтеза и таким образом получить еще более мощный источник энергии. Именно для расчетов, необходимых для реализации этого замысла, использовали ENIAC.
Когда 15 февраля 1946 года компьютер официально ввели в эксплуатацию, у него уже была секретная задача. Примечательно, что вычисления, которые выполняли на нем ранее — в ноябре — декабре 1945 года, — до сих пор остаются засекреченными.
Зато хорошо известно, какие расчеты проводились на ENIAC после того, как его перевезли в баллистическую лабораторию в городе Абердин. На нем рассчитывали обтекание воздухом крыла самолета, летящего быстрее звука, и результаты применения термоядерного оружия на определенной территории.
А в 1949 году для работы с ENIAC. Вернулся Джон Фон Нейман. Он использовал его для того, чтобы рассчитать значение чисел π и е (основы натуральных логарифмов) до 2000 знака. Его интересовало, случайны ли они. Кроме большого значения для фундаментальной науки, этот вопрос имел большое значение для криптографии.
В 1950 году ENIAC применили для прогнозирования погоды по математической модели вихря. Однако его мощности оказалось недостаточно: чтобы смоделировать погоду на следующие 24 часа, компьютер тратил почти те же 24 часа.
ENIAC совершенствовались и он продолжал работать до 1955 года. После этого его разобрали, но некоторые его части можно увидеть в музее.
Наследие ENIAC
Парадоксально, что наибольшее значение ENIAC заключается не в его технических достижениях, а в том, что еще до завершения проектирования его создатели осознали: компьютер спроектирован неидеально. От громоздкой десятичной системы до отсутствия эффективных средств ввода, вывода и долгосрочного хранения информации — недостатков было много.
Именно поэтому еще до окончания работ по строительству ENIAC Голдстайн с компанией приступили к разработке следующей машины — EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Она уже строилась без вышеуказанных недостатков и в конце концов тоже потом использовалась военными.
Еще более важными являются выводы, которые сделал Джон фон Нейман, консультируя разработку ENIAC. Он разработал логическую схему, описывающую, как должна работать электронно-вычислительная машина, которая сейчас известна как «архитектура фон Неймана». EDVAC и все компьютеры после него уже строились по ней, создавались в соответствии с ней.
Но и на EDVAC история разработки не закончилась. Эккерт и Мокли создали собственную компанию и выпустили сначала BINAC, а затем в 1951 году и UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer I). Он, как и все его предшественники, был комнатой с лампами. Однако, в отличие от всего, что строилось до того, он уже был серийной моделью, которую продали нескольким крупным организациям США. Так началась эра коммерческих компьютеров.
