В каком году появилась вычислительная машина эниак. "ЭВМHISTORY": ENIAC. История уникальной машины. · программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде

Устройство управления

Внешние устройства

Оперативная память

Рисунок – Связи между устройствами

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод – цифропечатающим устройством сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.

В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) – первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ – самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» – первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ‑2, «Минск‑1», – которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.

Проекты и реализация машин «Марк–1», EDSACиEDVACв Англии и США, МЭСМ в СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой технологии – серийных ЭВМ первого поколения. Разработка первой электронной серийной машиныUNIVAC(UniversalAutomaticComputer) была начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машинаUNIVAC-1 создана на базе ЭВМENIACиEDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп.

По сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной вычислительной техники в Японии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина "Фуджик" была введена в эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ началось лишь в 1958 году.

Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 («Урал-1») до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал – в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной техники после того, как в начале XIXв. отец и сын из Чикаго Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп.

ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.

Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.

ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.

Устройство и работа компьютера по «принципу фон Неймана»

Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:

· машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;

· программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;

· программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;

· трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);

· арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;

· в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

На следующем рисунке показано, каковы должны быть связи между устройствами компьютера согласно принципам фон Неймана (одинарные линии показывают управляющие связи, пунктир - информационные).

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод – цифропечатающим устройством сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.

Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 («Урал-1») до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал – в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось

несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной техники после того, как в начале XIX в. отец и сын из Чикаго Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп.

ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.

Джон Преспер Эккерт – один из «родителей» ENIAC

Мы привыкли думать, что в 24 года большинство молодых людей только заканчивает учебу в университете, и уж никак не получает ведущую роль в важном и срочном проекте, который курирует военное ведомство. Сам Эккерт говорил, что, несмотря на довольно небольшой возраст, он был хорошо подготовлен к этой работе:

Эккерт говорил, что своеобразной «школой», которая помогла ему начать работу над компьютером, стало его увлечение электротехникой. Эккерт родился в Филадельфии, в дни его молодости называвшейся «Долиной электронных ламп» (Vacuum Tube Valley): именно там поначалу изготавливалась основная масса радиоприемников и телевизоров, производимых в США. Неудивительно, что ещё подростком Эккерт работал над проектом простенького телевизора в лаборатории Фарнсуорта (он присоединился к Филадельфийскому Клубу Инженеров), а, став немного старше, занимался проблемами радаров.

Первую собственную разработку Эккерт запатентовал в возрасте 21 года и впоследствии (как до, так и после ENIAC) работал над десятками изобретений. Однако, несмотря на все это, он не считает, что без него создание компьютера было бы невозможно:

Каждый изобретатель делает свою работу на основании результатов деятельности других учёных. И если бы не я построил ENIAC, это бы сделал кто-то другой. Всё, что делает изобретатель – ускоряет процесс.

Мифы и реальность

В ENIAC было чуть менее 18 000 электронных ламп. По воспоминаниям Эккерта, в распоряжении проекта были все лампы, которые могли предоставить им поставщики. Разработчики использовали 10 типов ламп, «хотя [технически] хватило бы и четырёх типов» – просто их общего количества было недостаточно.

Сделано это было в надежде таким образом снизить вероятность поломки. Теоретически у ENIAC было огромное количество точек отказа (1,8 миллиарда вариантов отказа в секунду), из-за чего многим идея практического использования компьютера казалась невероятной. Тем не менее, ломался ENIAC не так уж часто – всего один раз в 20 часов.

Из-за того, что машина использовала просто огромное количество ламп (и была беспрецедентным изобретением по тем временам), вокруг ENIAC постоянно ходили разнообразные мифы и слухи. Например, популярностью пользуется история о том, что работающий ENIAC вырубал свет во всей Филадельфии – Эккерт в интервью её опроверг. Говорят еще, что кто-то должен был бегать у машины с коробкой ламп и заменять по одной лампе каждые несколько минут. Это ещё один миф.

Многие попросту не верили в возможности полностью электронного компьютера – отсюда и миф о том, что он мог выполнять только примитивные арифметические действия. Однако этого было бы явно недостаточно для того, чтобы радикально ускорить составление таблиц стрельбы – на самом деле ENIAC мог решать дифференциальные уравнения второго порядка. Точно такой же выдумкой является и преувеличенно почтительное отношение к компьютеру – Эккерт в своём интервью категорически отрицает якобы «факт» того, что военные отдавали машине честь.

По мнению Джона Эккерта, роль Джона фон Неймана в разработке ENIAC тоже сильно преувеличена. Тем не менее, забавные случаи в истории ENIAC все-таки происходили. Например, чистой правдой Эккерт называет «мышиный тест»:

Мы знали, что мыши будут грызть изоляционный слой проводов, поэтому взяли все образцы проводов, которые могли найти, и положили их в клетку с мышами, чтобы посмотреть, какую изоляцию они не станут есть. Мы использовали только те провода, которые прошли «мышиный тест».

Что было после

Несмотря на свою значимость для военных задач начала Холодной войны и для развития всей отрасли информационных технологий, ENIAC после окончания его работы (компьютер бы выключен 2 октября 1955 года) ждала незавидная судьба. Компьютер, представляющий историческую ценность, фактически сгнил на военных складах.

40 панелей компьютера, весом почти 390 килограмм каждая, после его торжественной остановки разделили. Часть панелей оказалась в руках университетов: одна была пожертвована Университету Мичигана, ещё пару приобрёл Смитсоновский Институт. Однако остальные панели просто отправили на склады – система записей на некоторых из них велась недостаточно тщательно, шли годы, и новое руководство, приходя к работе, уже не подозревало, что груда металла в том или ином ангаре представляет хоть какую-то ценность.

Поисками того, что осталось от ENIAC, занялась команда миллиардера Росса Перо, когда тот решил разыскать раритеты из мира технологий для декорирования своего офиса. Выяснилось, что часть панелей когда-то была перевезена с испытательного полигона в Абердине (штат Мериленд) в Форт Силл в Оклахоме в военный музей полевой артиллерии.

Куратор музея был в шоке, узнав, что в музее находился самый большой в мире блок ENIAC – в общей сложности девять панелей, все из которых хранились в безымянных деревянных ящиках, которые никто не открывал многие годы. Представители Форта Силл заявили, что им неизвестно, как у них оказалась практически четверть компьютера ENIAC.

Форт Силл согласился отдать Перо панели в обмен на обещание, что остатки ENIAC отреставрируют хотя бы внешне. Инженерам, которые взялись за дело, сразу стало ясно – в рабочее состояние компьютер привести не получится хотя бы потому, что для этого понадобились бы все 40 панелей, не говоря обо всех остальных компонентах и утраченных знаниях. Поэтому перед ними встала более простая задача: сделать то, что осталось от ENIAC, хотя бы внешне похожим на эпохальный компьютер в период его расцвета.

Панели очистили от пыли и ржавчины, обработали пескоструйным аппаратом и заново покрыли краской, после чего аккуратно припаяли к ним новые лампы (для вида, конечно). Какое-то время обновлённые панели находились в офисе Perot Systems, однако после её слияния с Dell руководство приняло решение вернуть отреставрированные блоки ENIAC в музей Форта Силл. К сожалению, от былого величия этого компьютера осталась только оболочка – да и та не полностью сохранилась.

Сотрудники Росса Перо сравнивают ENIAC с Ковчегом Завета из фильма об Индиане Джонсе – он точно так же оказался окончательно утрачен, несмотря на всю свою важность, потому что военные музеи и склады даже не подозревали о том, что именно столько лет хранилось в их запасниках. Тем не менее, несколько лет назад в Dell ещё говорили о попытках отыскать остальные не разрушившиеся окончательно панели ENIAC – остаётся надеяться, что они все ещё существуют.

P.S. Другие материалы о том, как мы улучшаем работу провайдера виртуальной инфраструктуры

Компьютер общего назначения, программируемый для решения широкого спектра задач, хотя первоначально предназначался для решения задач баллистики, т.е. задач военного характера.

В 1939 году началась Вторая Мировая война, а любая война - это не только противостояние армий, но и гонка учёных умов и технологий. Так, сотрудники Лаборатории баллистических исследований министерства обороны США, что в районе Абердинского полигона (штат Мэриленд), работали над созданием таблиц баллистики, в которых нуждались артиллеристы на полях сражений. Значение таблиц было очень велико: они помогали солдатам корректировать наводку орудия с учётом расстояния до цели, её высоты над уровнем моря, метеорологических условий, таких как температура воздуха, скорость и направление ветра и др.

В те времена, вышеупомянутые расчёты баллистических таблиц (т.е. таблиц стрельбы) проводились вручную на настольных арифмометрах силами особых клерков – компьютеров, преимущественно женщин. Чтобы рассчитать всего одну траекторию приходилось выполнять от 750 до 1000 арифметических операций, в то время как любая таблица включала в себя почти 2000 траекторий. С помощью дифференциального анализатора стало возможно ускорить расчёты, однако они были приближёнными, после чего уточнять их приходилось уже десяткам людей вручную.

В войну втягивались новые государства, площадь боевых действий разрасталась. Лаборатория, проводившая баллистические расчёты не справлялась и в итоге запросила помощь. Так, в расположенном неподалёку Высшего технического училища Пенсильванского университета, появился вспомогательный вычислительный центр. В училище был свой дифференциальный анализатор, однако, учёные вышеупомянутого университета, Джон Уильям Мокли (преподаватель, иногда пишут Мочли) и Джон Преспер Экерт (студент с отличными инженерными способностями) предложили более совершенное решение… Инженеры – воистину ленивые, но гениальные люди!

Джон Мокли, физик, по совместительству занимающийся метеорологией, давно задумывался о создании устройства, способного применить методы статистики для прогнозирования погоды. Ещё перед Второй Мировой он сконструировал несколько несложных цифровых счётных устройств на электронных лампах . Вполне вероятно, что его интерес к вычислительным машинам появился после визита к американскому учёному Джону Атанасову : в течении 5 дней Мокли мог наблюдать за работой Атанасова и его помощника Клиффорда Берри , которые трудились над прототипом компьютера с почти 300 электронных ламп.

Позже компьютер Атанасова-Берри спорил с ЭНИАКом за право называться первым компьютером, Атанасов утверждал, что Мокли, находясь у него в гостях заимствовал некоторые идеи, которые тот воплотил в своём компьютере. Так это или иначе на 100% неизвестно, а вот то, что именно Джон Экерт убедил Мосли в реалистичности воплотить в компьютере его идеи – чистая правда.

В августе 1942 года Мокли написал семистраничный труд «The Use of High-Speed Vacuum Tube Devices for Calculation», в котором он предлагал Институту построить электронную вычислительную машину, основу которой составляли бы вакуумные лампы. К сожалению, руководство Института не уделило вниманием работу и отправило её в архив, после чего следы труда теряются.

Сотрудничество Института Мура с Лабораторией Баллистики по вычислению таблиц стрельбы велось через Германа Голдстайна, капитана армии США, который до поступления на службу работал профессором математики в Университете штата Мичиган. В начале 1943 года из случайной беседы с работником Института Голдстайн узнал об идее электронного вычислителя Мокли и сразу же оценив значение предлагаемого проекта компьютера, начал хлопотать от имени военного командования, чтобы проект приняли к разработке. Они встретились и Герман предложил Джону составить и подать заявку в Лабораторию, ведь для постройки вычислительной машины требовались немалые средства. Мокли смог восстановить свой документ из 7 страниц, после чего работа закипела.

9 апреля 1943 года, в день, когда Д.Экерту исполнилось 24 года, армия заключила с учёными контракт почти на 400 тысяч долларов на создание компьютера ЭНИАК. По контракту машина называлась «Electronic Numerical Integrator» («Электронный числовой интегратор»), чуть позже к названию было добавлено «and Computer» («и компьютер»), в итоге получилась знаменитая аббревиатура ENIAC. Куратором проекта «Project PX» со стороны Армии США выступил уже знакомый Герман Голдстайн .

К февралю 1944 года были готовы все диаграммы и чертежи будущего компьютера, и группа инженеров под руководством Экерта и Мокли приступила к воплощению замысла в «железо». Сама группа, трудившаяся над проектом постепенно пополнялась и в итоге выросла до 50 человек. Главным консультантом проекта был, разумеется, Мокли, а Экерт, - главным конструктором. Коммуникабельный Мокли бил фонтаном идеи, а главные «практические руки», сдержанный и осторожный Джон Экерт, анализировал все мысли, те, что считал действенными, доводил до ума.

В январе 1944 года Экерт делает первый набросок уже второго компьютера с более совершенным дизайном, в котором хранение программы осуществлялось в памяти компьютера, а не формировалась с помощью коммутаторов и перестановки блоков, как в ЭНИАКе.

Летом 1944 года военный куратор проекта Герман Голдстайн знакомится со знаменитым математиком Джоном фон Нейманом и привлёк его к работе над машиной. Фон Нейман внёс свой теоретический вклад в проект. В итоге был создан теоретический и инженерный фундамент для преемника ЭНИАКа - следующей модели вычислительной машины под названием EDVAC (ЭДВАК) с хранимой в памяти программой.

В середине июля 1944 года Экерт и Мокли собрали первую пару модулей для сложения чисел. Соединив их, они выполнили простое умножение двух чисел: 5 и 1000. Получив верный результат, учёные продемонстрировали руководству Института и Лаборатории, а также всем скептикам, что электронная вычислительная машина может быть построена.

Конструкция машины выглядела довольно сложной. Планировалось, что она будет содержать почти 17,5 тысяч ламп. Такое большое количество ламп было связано с тем, что ЭНИАК должен был работать с десятичной системой счисления . Именно её предпочитал Мокли, считая что компьютер должен был понятен человеку. Однако, с этим были и свои проблемы: ламп было очень много, они перегревались и гасли. Выход из строя одной лампы, одного конденсатора или резистора влёк за собой остановку работы всей машины, а всего существовало ~1,75 миллиарда различных вариантов отказа в каждую секунду. До сих пор человечество не создавало ни одного подобного прибора такой сложности и с такими жёсткими требованиями к надёжности. Чтобы хоть как-то понизить частоту выхода из строя вакуумных ламп, Экерт предложил подавать на них минимальное напряжение - 5.7 вольт вместо номинальных 6.3 вольта, а после выполнения расчётов ЭНИАК продолжал работать, поддерживая лампы в нагретом состоянии, чтобы перепад температуры при охлаждении и накаливании не приводил к их перегоранию. Результатом стало то, что за неделю сгорало примерно 2-3 лампы, а среднее время работы лампы составляло 2500 часов. Довольно высокие требования предъявлялись к отбору радиодеталей и качеству сборки. Тем не менее инженеры добились как минимум 20-часовой непрерывной работы ЭНИАКа без поломок. Это, конечно, не так много по нынешним меркам, но за каждые 20 часов работы вычислительная машина выполняла месячный объём работы механических вычислителей!

Для того, чтобы контролировать исправность аппаратуры, Джон Экерт разработал специальную программу: каждый из великого множества электронных компонентов 27-тонной вычислительной машины подвергался тщательной проверке, после чего они все аккуратно расставлялись по определённым местам, потом запаивались (а иногда далеко не один раз перепаивались). Конечно, такая работа напрягала каждого члена команды, включая даже Джона Мокли.

К осени 1945 года завершилась сборка ЭНИАКа, машина была готова к проведению первого испытания. Война к тому времени закончилась, к счастью для людей, однако машина не стала стоять без дела. Для ЭНИАКа была подобрана новая задача: расчёты возможности создания водородной бомбы. Характер задачи как раз показывал, что роль подобных вычислительных машин будет только возрастать.

Дж. Преспер Эккерт и Джон У. Мокли с компьютером ENIAC. Университет Пенсильвании, 1946