Размышления о думающих машинах. Тьюринг. Компьютерное исчисление - Rafael Lahoz-Beltra

Например, с его помощью можно было решать интегралы и дифференциальные уравнения — два важнейших инструмента расчетов и моделирования в прикладной математике.

К этому времени по обе стороны Атлантики уже имелся довольно большой список компьютеров: Colossus, ENIAC, EDVAC, EDSAC, но все же какая из стран изобрела первый?

ENIAC: АМЕРИКАНСКИЙ МАСТОДОНТ

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) имел циклопические размеры. Он работал на 18 тысячах электронных ламп, что вызывало частые сбои, весил 27 тонн, занимал площадь 167 м2. Его разработчиками были Джон Преспер Эккерт (1919-1995) и Джон Уильям Мокли (1907- 1980) из Пенсильванского университета. Компьютер запустили в эксплуатацию в феврале 1946 года. Он представлял собой программируемое устройство, предназначенное для военных целей, и использовался в лаборатории баллистических исследований. Если память компьютера Тьюринга, Pilot АСЕ, была примерно такой.же, как у Macintosh Apple, то расчетная мощность ENIAC была аналогична интегральным схемам 2004 года. При этом у ENIAC вообще не было основной памяти. Также он использовал десятичные числа, то есть знаки 0,1, 2,... 9 и их комбинации (например, 645), а не двоичный код (только 0 и 1), как современные компьютеры. Арифметические операции, например суммирование, выполнялись с помощью электронных эмуляторов колес и зубчатых передач старых вычислительных машин.

Тысячи компонентов

Как и британский Colossus, этот компьютер использовал вентили И и ИЛИ, созданные на основе цепи электронных ламп. Для программирования необходимо было соединить около шести тысяч переключателей и несколько сотен проводов. Имелась также система аккумуляторов, напоминающая ячейки Excel, с помощью которых можно было параллельно суммировать и вычитать величины, сохраняя результаты. Также можно было умножать, делить и извлекать квадратный корень, для этого аккумуляторы управлялись специальными модулями для умножения, деления и извлечения квадратного корня соответственно, к названным модулям добавлялись еще девять модулей. При соединении модулей друг с другом проводами получалась программа управления компьютером. Несмотря на эту чрезвычайную сложность, вызванную примитивностью конструкции, ENIAC мог выполнять пять тысяч простых сложений или вычитаний в секунду, 385 операций умножения, 40 операций деления и извлечение трех квадратных корней. При некоторой изобретательности, а также терпении можно было программировать повторяющиеся задачи или операторы цикла, похожие на оператор цикла for-to и условные операторы if-then. В 1948 году Джон фон Нейман изобрел устройство, аналогичное современной памяти ROM (ПЗУ, постоянное запоминающее устройство), или память только для чтения, которая была успешно применена на ENIAC. В1950 году в результате использования ENIAC в Соединенных Штатах появилась компания UNIVAC, с которой родилась современная компьютерная индустрия. Осенью 1955 года ENIAC был отключен. Так этот мастодонт, затмивший успехи британцев (Colossus, Pilot АСЕ, Baby, Ferranti Mark I), сыграл свою роль. Спустя годы UNIVAC передал пальму первенства IBM, а США с тех пор доминируют на мировом рынке компьютеров.

Компьютер ENIAC в Пенсильванском университете, США.

Согласно американским архивным документам, один из авторов ENIAC, Джон Уильям Мокли (1907-1980), вдохновился созданием другого компьютера под названием ABC (Atanasoff-Berry Computer), который был сконструирован инженером-электронщиком Джоном Винсентом Атанасовым (1903-1995) в Айовском университете с использованием нескольких сотен электронных ламп. Однако есть и те, кто защищает другую версию: первым компьютером был Mark I Говарда Эйкена (1900— 1973), построенный между 1939 и 1940 годами. Этот компьютер был создан в сотрудничестве с IBM, в нем использовались зубчатые механизмы, колеса и реле согласно идеям британского ученого Бэббиджа. С другой стороны, в Европе также появился первый компьютер — Colossus, при этом он не был универсальной машиной Тьюринга. Есть еще одна версия: первый компьютер создал в 1930-е годы немецкий студент инженерного факультета Конрад Цузе (1910-1995). Машина Цузе могла выполнять операции в двоичной системе исчисления с использованием реле, которые действовали как переключатели: они могли быть включены — состояние 1, или выключены — состояние 0. Первую машину Цузе собрал в спальне своих родителей, затем эта модель была улучшена, однако Вторая мировая война разрушила мечты конструктора. Подводя итог, мы можем сказать, что компьютер был британо-американским изобретением, задуманным для решения военных задач и реализованным в ходе Второй мировой войны и сразу после нее.

АРХИТЕКТУРА ДЖОНА ФОН НЕЙМАНА

Американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман (1903-1957), еще один гениальный исследователь, наравне с Аланом Тьюрингом внес огромный вклад в развитие информатики. Тьюринг и фон Нейман были старыми знакомыми еще со времен первой встречи в Принстонском университете в Нью-Джерси. Фон Нейману были прекрасно известны работы Тьюринга по вычислительной теории и его знаменитые машины, особенно его заинтересовала универсальная машина Тьюринга, изучением которой фон Нейман занимался на протяжении нескольких лет.

Алан Тьюринг (стоит) работает с двумя коллегами за компьютером Ferranti Mark I в Манчестерском университете в 1951 году.

1952 год, оператор управляет предварительной версией Pilot АСЕ — компьютера, разработанного Тьюрингом для общего применения.

ДЖОН ФОН НЕЙМАН: ОДИН ИЗ САМЫХ БЛЕСТЯЩИХ УМОВ XX ВЕКА

Фон Нейман (1903- 1957) работал над очень разными темами и, как и Тьюринг, во все проекты привносил свой талант и блестящие интеллектуальные способности. Он занимался исследованиями в области квантовой механики, теории игр, информатики, участвовал в Манхэттенском проекте по разработке первой атомной бомбы, работал консультантом в ЦРУ, в корпорации RAND (РЭНД), являющейся исследовательским центром, сотрудничающим с американской армией, в таких предприятиях, как IBM, и в нефтяной компании Standard Oil. Работа фон Неймана в проекте, связанном с созданием одного из первых компьютеров, ENIAC, позволила ему сформулировать правила организации компонентов компьютера, или архитектуру фон Неймана. Он работал с самыми первыми компьютерами в мире, например EDVAC или, на этапе разработки, IAS — компьютером, созданным для Института перспективных исследований в Принстоне. Описание, объясняющее, как построить IAS, свободно распространялось по университетам и предприятиям всего мира, так что возникла целая серия машин IAS: Johniac, Mistic, Oracle, ORDVAC, Weizac, MUSALINO-I, SILLIAC и другие.

Джон фон Нейман рядом с компьютером IAS.

Другие достижения ученого

Еще одним достижением фон Неймана является введение понятия самовоспроизводящейся машины, то есть автомата, способного создавать другие автоматы и обладающего свойством самовоспроизведения подобно микроорганизмам или бактериям. В Манхэттенском проекте фон Нейман совместно с математиком Станиславом Уламом (1909-1984) разработал метод Монте-Карло — вид численных методов с широким применением, в которых используются компьютер и случайные числа. Выяснив, что разрушительная сила бомбы больше, если она сдетонирует до момента столкновения с землей, фон Нейман рассчитал, на какой высоте должны взорваться бомбы над Хиросимой и Нагасаки, чтобы взрыв причинил как можно больший ущерб. В 1957 году ученый умер от рака. Его последняя работа «Компьютер и мозг» была опубликована посмертно.

В 1944 году он присоединился к команде, строившей ENI АС, для того чтобы усовершенствовать и исправить некоторые ограничения и недостатки этой довольно примитивной машины. Результаты его работы были воплощены в следующем после ENIAC поколении компьютеров. Два самых известных — EDVAC (Electronic Discrete Automatic Computer) и ORDVAC (Ordnance Discrete Variable Automatic Computer). ORDVAC был первой машиной в истории, для которой был написан компилятор для языка программирования FORAST. Пользователь писал программу на исходном коде, а компилятор переводил ее в исполняемую версию, машинный код.

В 1945 году фон Нейман опубликовал знаменитый доклад «Первый черновик отчета о EDVAC» (First Draft of a Report on EDVAC), где излагались принципы архитектуры фон Неймана (см. схему).

Ученый попытался определить, каким образом, с точки зрения логики, должны быть организованы компоненты компьютера, не учитывая электронных комплектующих. С тех пор этой модели следуют все разработчики компьютеров. Согласно архитектуре фон Неймана, компьютер состоит из следующих элементов.

— Устройство ввода, или input ("например, клавиатура для ввода данных).

— Выходное устройство, или output (например, монитор, на котором видны результаты операций).