Реферат: Компьютер Атанасова
Allan R. Mackintosh
Те, кого в течение десятилетий считали изобретателями первых электронных цифровых компьютеров, на самом деле не были первыми. Эта честь принадлежит физику Джону В. Атанасову
История, наконец, вспомнила о Джоне В. Атанасове. После нескольких десятилетий, прожитых в безвестности, этот 84-летний профессор физики, уже давно ушедший на пенсию, получает теперь признание специалистов по вычислительной технике за то, что он сделал почти полвека назад - за изобретение первого электронного цифрового компьютера. Впоть до самого недавнего времени во всех официальных трудах по истории вычислительной техники эта заслуга обычно приписывалась другим.
В этих трудах говорится, что современные компьютеры ведут свою родословную от машин, появившихся в конце 30-х - начале 40-х годов, когда было сделано много взаимно дополнявших и стимулировавших друг друга попыток автоматизировать, ускорить или каким-то образом устранить необходимость в долгих, утомительных ручных вычислениях.
Например, в 1932 г. Ванневар Буш из Массачусетского технологического института построил механический компьютер, названный дифференциальным анализатором, в котором вычисления выполнялись посредством вращающихся шестеренок и валиков.
В конце 30-х годов Конрад Цузе в Германии, Джон Р. Стибиц из компании Bell Telephone Laboratories и Говард Эйкен из Гарвардского университета (в сотрудничестве с корпорацией IBM) независимо друг от друга разработали "электромеханические компьютеры", в которых наборы электрически управляемых устройств, называемых реле, представляли числа. "Включенное" и "выключенное" положение реле соответствовали цифрам 0 и 1 двоичной системы счисления, или системы с основанием 2. (В отличие от стандартной десятичной системы счисления, или системы с основанием 10, в которой числа представляются цифрами от 0 до 9, в двоичной системе все числа выражаются комбинациями из двух цифр - 0 и 1.)
Далее в этих трудах говорится о том, что первые электронные компьютеры были изобретены в середине 40-х годов. В отличие от механических и электромеханических электронные компьютеры собираются преимущественно на электронных лампах, транзисторах, а самые современные - на интегральных микросхемах. Первой такой машиной, по общему мнению, считается "Колосс", построенный математиками Аланом М. Тьюрингом, X.А. Ньюменом и их коллегами из Исследовательского центра в Блетчли (Англия). Эта машина, начавшая работать в 1943 г., помогла расшифровать систему секретных германских кодов и таким образом существенно повлияла на ход второй мировой войны. Вторая машина получила название "Электронного численного интегратора и компьютера", сокращенно "ENIAC", и была построена Джоном У. Мочли и Дж. Преспером Экертом с группой сотрудников из Пенсильванского университета. Она начала работать в 1945 г.
Однако на самом деле в период между 1937 и 1942 гг., т.е. за несколько лет до того, как были созданы упомянутые машины, Атанасов сконструировал и построил два сравнительно небольших электронных компьютера. Первый из низ послужил прототипом более мощной машины, которая получила название компьютера Атанасова-Берри, или сокращенно "АВС". Берри - это покойный Клиффорд Е. Берри, аспирант и ближайший помощник Атанасова, работавший вместе с ним с 1939 по 1942 г.
Запоздалое признание заслуг Атанасова не является результатом научного исследования. Скорее оно было следствием судебного процесса, начавшегося в 1967 г. между корпорацией Sperry Rand и компанией Honeywell, Inc. В свое время корпорация Sperry приобрела патент на компьютер "ENIAC" и взыскивала определенный процент от доходов других фирм, производящих электронные вычислительные машины. Компания Honeywell отказалась платить. Sperry подала в суд, a Honeywell предъявила встречный иск, обвинив корпорацию Sperry в нарушении антитрестовского закона и попытке воспользоваться недействительным патентом.
Представители компании Honeywell заявили, что патент следует считать недействительным, поскольку во время подготовки к судебному процессу со Sperry юристы компании натолкнулись на упоминание об Атанасове. Когда они разыскали его, Атанасов, до того не очень хорошо знакомый с устройством компьютера "ENIAC", сравнил конструкцию последнего со своей машиной. Выяснилось, что параграфы патента на "ENIAC" (по существу перекрывавшие все аспекты конструкции электронных вычислительных машин) отражали конструктивные особенности компьютера "АВС" и соответствовали той информации, которой Атанасов поделился с Мочли в начале 40-х годов.
Свидетельские показания Атанасова произвели сильное впечатление, и окружной суд Миннеаполиса 19 октября 1973 г. постановил считать патент на компьютер "ENIAC" недействительным. Судья заявил, что Мочли и Экерт "не были первыми изобретателями автоматического электронного цифрового компьютера, они лишь воспользовались идеями некоего д-ра Джона Винсента Атанасова". И во время суда, и впоследствии Мочли отказывался признать, что заимствовал что-либо существенное у Атанасова. Вдова Мочли, Экерт, и многие другие и теперь придерживаются этого мнения, но я считаю, что материалы суда явно противоположны утверждениям Мочли.
Решение судьи Ларсона, принятое корпорацией Sperry без апелляций в высшие судебные инстанции, не сразу принесло признание Атанасову в широких кругах общественности отчасти потому, что американская пресса в то время была поглощена уотергейтским скандалом, который привел к отставке президента Никсона. Тем не менее сведения о роли Атанасова постепенно стали просачиваться в научно-технические круги, и тот факт, что Атанасов был первым, кто изобрел и сконструировал электронный цифровой компьютер, теперь уже стал общепризнанным.
В значительной мере это признание было заслугой А. Беркса, участвовавшего в разработке компьютера "ENIAC", и его супруги Алисы. Чета Берксов (он - профессор, а она - ассистент кафедры электроники и вычислительной техники Мичиганского университета) тщательно исследовала работу Атанасова над созданием компьютера "АВС" и описали результаты своих исследований (в том числе и судебный процесс по поводу патентных прав) в получившей широкую извесность статье, а недавно и в книге.
Путь, который привел к созданию компьютера Атанасова-Берри, по существу начался еще в конце 20-х годов, когда Атанасов работал над докторской диссертацией в Университете шт. Висконсин в Мадисоне. Диссертация была посвящена электронной структуре атомов гелия и потребовала многих недель кропотливых вычислений, выполнявшихся на настольном калькуляторе. Утомленный бесконечными расчетами, Атанасов стал мечтать от автоматизированных вычислительных устройствах. Эта идея не покидала его и после того, как он успешно защитил свою диссертацию в 1930 г. и получил должность преподавателя в Колледже (а позднее университете) шт. Айова.
Работая в университете, Атанасов в течение нескольких лет обдумывал возможные способы автоматизации вычислений. К зиме 1937 г. он уже принял решение по нескольким основным принципиальным вопросам. Например, он пришел к выводу, что функции памяти - запоминание данных - должны быть отделены в машине от вычислительных функций, а также что метод вычисления должен быть скорее цифровым, чем аналоговым: машина должна представлять числа в виде цифр, а не посредством аналога с какой-либо физической величиной, такой как расстояние, отмеряемое на логарифмической линейке. Атанасов подумывал также над идеей проводить вычисления в системах счисления с основанием, отличным от 10. Однако эти идеи, по-видимому, никак не выкристаллизовывались в единое целое, как он вспоминал позже, и это все больше удручало его. И вот однажды, ненастным зимним вечером к нему сразу же пришло несколько важнейших решений.
Сначала этот вечер не выглядел особенно обещающим. На самом деле Атанасов был так раздосадован, что, покинув лабораторию, сел в машину и поехал на большой скорости по шоссе, целиком сконцентрировав свое внимание на вождении, чтобы развеяться и отвлечься от неприятных переживаний. Через несколько часов он очутился в 200 милях от дома, в штате Иллинойс. Он остановил машину у ярко освещенного придорожного бара, чтобы чего-нибудь выпить.
"В тот день было ужасно холодно и на мне было очень тяжелое зимнее пальто, - вспоминал он в своих свидетельских показаниях на суде. - Я снял его, повесил, сделал заказ официанту и, когда он принес спиртное, я вдруг ощутил, что успокоился и обратился опять к своим размышлениям о вычислительных машинах. Я не знаю, почему моя голова вдруг заработала и почему она не работала до этого, но все как-то прояснилось, я думал четко и спокойно... Наверное, я выпил две рюмки, прежде чем понял, что мне приходили в голову очень хорошие мысли и я существенно продвинулся вперед".
И действительно, мысли оказались очень важными. Вместо механических устройств Атанасов решил применять электронные переключатели (электронные устройства, управляющие прохождением электрических сигналов), с помощью которых должны были выполняться функции управления и арифметические операции в компьютере. В этом смысле ему принадлежит первенство. До этого ни одна машина, предназначенная для решения сложных математических задач, не была основана на электронике.
Он пришел также к убеждению, что его цифровая машина должна оперировать двоичными числами и что операции над этими числами будут осуществляться в соответствии с правилами логики, а не прямым подсчетом (см. рисунок ниже). В тот же вечер Атанасов решил и важную частную проблему, касающуюся способа хранения в памяти двоичных чисел. Он и раньше подумывал над идеей воспользоваться конденсаторами, устройствами, накапливающими и хранящими электрический заряд, в качестве запоминающих элементов компьютера. Например, положительный заряд на каком-то одном выводе конденсатора мог представить цифру 1, а отсутствие заряда соответственно 0. Проблема заключалась в том, что конденсаторы постепенно теряют свой заряд. Расслабившись в придорожном баре, Атанасов придумал способ обойти это затруднение, воспользовавшись так называемой регенерацией памяти. Периодически заряд конденсатора должен был восстанавливаться таким образом, что, если он был, скажем, в положительном состоянии, то он и дальше в нем оставался, и его положительный заряд со временем не изменялся и не доходил в конце концов до нуля. Приняв эти решения, вспоминает Атанасов, "поздно вечером я опять сел в машину и теперь уже медленно поехал домой".
Прототип компьютера "АВС" был построен в 1939 г. с целью проверить две основные идеи. Атанасов намеревался постоянно перезаряжать, или регенерировать, конденсаторы памяти, чтобы они не теряли заряд непредсказуемым образом. Он также намеревался проводить вычисления посредством логических схем - набора электронных ламп, который складывает или вычитает двоичные числа в соответствии с логическими правилами, а не прямым подсчетом. Прототип оказался успешным. При повороте диска памяти (розовое колесо), на каждой стороне которого конденсаторы хранили по одному 25-разрядному двоичному числу, одна логическая схема (внизу посередине) складывала или вычитала числа, записанные в памяти на противоположных сторонах диска. Одновременно с тем, как логическая схема выполняла вычисления над очередным разрядом чисел (запоминая в процессе разряд переноса или заема или считывая его из конденсатора переноса), схема регенерации (слева внизу) обновляла содержимое памяти.
Поскольку современные компьютеры по-прежнему оперируют двоичными разрядами, хранимыми в памяти, согласно логическим правилам, а функции вычисления и (регенерируемой) памяти разделены, основополагающие решения Атанасова стоят того, чтобы рассмотреть их более детально. Почему, например, цифровая машина предпочтительнее аналоговой для вычислительных приложений?
Мудрость решения, принятого на этот счет Атанасовым, лучше всего можно проиллюстрировать, сравнивая компьютер "АВС" с дифференциальным анализатором Буша, являвшимся в то время самым эффективным вычислительным устройством для научно-технических расчетов. Помимо того что он был по существу механическим устройством, дифференциальный анализатор представлял собой аналоговую вычислительную машину: его результаты представлялись углом поворота валиков.
Аналоговые компьютеры являются неплохим средством для многих применений, но, поскольку вместо операций над числами в них производятся измерения физических величин, точность вычислений неизбежно теряется, Цифровой компьютер Атанасова легко достигал точности в 1000 раз выше по сравнению с точностью дифференциального анализатора. Более того, в случае надобности точность компьютера можно было легко повысить, добавив еще несколько разрядов. У аналоговых компьютеров повышение точности достигается с большим трудом и обходится очень дорого. Например, чтобы повысить точность логарифмической линейки, скажем, в 10 раз, во столько же раз придется увеличить ее длину.
В наши дни цифровые вычисления основаны на двоичной системе счисления. Разумеется, Атанасов был не единственным человеком, кому пришла в голову эта идея; несколько первых электромеханических компьютеров были также двоичными, однако Атанасов был первым, кто решил воспользоваться электронными устройствами для операций над двоичными разрядами. Как выглядит число по основанию 2? В десятичной системе каждый разряд числа представляет справа налево определенное цифрой в "том разряде количество единиц, десятков сотен, тысяч и т.д. Следовательно, обозначение 237 представляет 2 раза по 102, плюс 3 раза по 101, плюс 7 раз по 100 (всякое число в степени 0 равно 1). В двоичном представлении каждый разряд, или бит, как его называют, означает определенное число (нуль или один) единиц, двоек (21), четверок (22), восьмерок (23), 16 (24) и т.д. Таким образом, десятичное число 237 в двоичной системе счисления будет представлено как 11101101. Подсчитаем это число слева направо. Оно "содержит" по одному числу 27 (т.е. 128 в десятичной системе), 26 (64), 25 (32), 23 (8), 23 (4) и 20 (1) и ни одного числа 24 или 21.
Для человека двоичная система, очевидно, неудобна, но, поскольку все числа в ней можно представить при помощи лишь двух символов, 1 и 0, она дает очень важные преимущества при работе с машиной, поскольку позволяет программисту представлять любое число в виде последовательности элементов в одном из двух состояний, таких как заряженное и незаряженное сотояние конденсаторе компьютере Атанасова или направление намагниченности, "вверх" или "вниз", участков поверхности магнитного диска.
Атанасов решил хранить разряды двоичных чисел в конденсаторах, рассмотрев предварительно несколько альтернативных возможностей, например использование электронных вакуумных ламп и ферромагнитных материалов (в которых можно менять ориентацию магнитных частиц, прикладываямагнитное поле). Он выбрал конденсаторы, потому что они относительно недороги и могли посылать сигналы арифметическому устройству без дополнительного усиления. Этот выбор, равно как идея периодической перезарядки ячеек памяти, продолжает доминировать в конструкции современных компьютеров. Сегодня конденсаторы являются важнейшими элементами интегральных микросхем, играющих роль динамической памяти компьютера, а регенерация, придуманная Атанасовым, представляет важнейшую особенность функционирования запоминающих устройств.
Решение реализовать запоминающее устройство на конденсаторах, конечно, имело важное значение, но самым значительным достижением Атанасова явилось, пожалуй, создание сложного электронного переключателя - логической схемы. Сидя в придорожной иллинойсской таверне, он мысленно представил себе две ячейки памяти, которые назвал счетами. Затем он представил себе то, что называл "черным ящиком" - логическую схему, в которую будут поступать числа, хранящиеся в памяти. В соответствии с "запаянными" в нем логическими правилами этот черный ящик должен выдавать правильные результаты при сложении или вычитании чисел, считываемые с его выводов.
Атанасов решил построить свой черный ящик из электронных ламп. Они будут получать сигналы от конденсаторов блока памяти, образующих два устройства, названные им клавиатурной памятью и памятью счетчика по аналогии с клавишами и движущейся кареткой - счетчиком - популярного в то время механического калькулятора. Лампы должны также получать сигналы и от других конденсаторов, хранивших разряды переноса (в случае сложения) или разряды заема (в случае вычитания). "Обученная человеком с паяльником" логическая схема должна выбрать правильный ответ и заменить содержимое счетчика результатом операции. Электронные лампы обрабатывали данные с очень высокой скоростью и могли многократно выполнять сложение или вычитание над различными разрядами двух произвольных чисел, хранившихся в двух ячейках памяти. В наше время логические схемы скрыты в крошечных интегральных микросхемах, работающих значительно быстрее электронных ламп, но по существу они выполняют те же функции, которыми их наделил Атанасов.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--