ЕЩЕ РАЗ НАЧАЛО

Недолгий век релейных машин еще продолжался, но новое время уже стучалось в дверь: в середи­не 1943 года началась работа над созданием пер­вой электронной вычислительной машины. Руко­водили этой работой американские ученые Моучли и Эккерт.

Джон В. Моучли родился в 1907 тоду. После оконча­ния университета Джона Гопкинса и защиты докторской диссертации по физике он в начале 30-х годов становит­ся сотрудником Института Карнеги, где занимается во­просами статистического анализа геофизических данных. Сталкиваясь в процессе работы с необходимостью боль­шого количества вычислений, Моучли приходит к мысли о возможности создания вычислительного устройства, в котором для счета и запоминания использовались бы электронные лампы.

Электронная лампа — дитяXX столетия. Хотя эф­фект прохождения электрического тока через вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году, первая электронная лампа — вакуумный диод — была построена Флеммин-гом лишь в 1904 году. Вскоре Ли де Форрест изобрета­ет вакуумный триод — лампу с тремя электродами, за­тем появляется газонаполненная электронная лампа —

9* 179

тиратрон, пятиэлектродная вакуумная лампа — пентод и т. д. До 30-х годов электронные вакуумные и газона­полненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Виль-ямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер, изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и — независимо — американцами У. Икклзом и Ф. Джор­даном (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состоя­ний; он представляет собой электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано для хранения одной двоичной цифры.

Несколько удачных моделей простых счетных устройств на газонаполненных лампах, которые Моучли самостоятельно построил в середине 30-х годов, под­твердили его предположение о целесообразности разра­ботки «электронного вычислителя» *.

В 1941 году доктор Моучли переходит на преподава­тельскую работу в знаменитую Муровскую электротехни­ческую школу Пенсильванского университета, в которой уже был накоплен опыт использования электронных ламп в вычислительных машинах. Правда, это были машины другого типа — аналоговые: под руководством известного инженера Ванневара Буша в Муровской шко­ле был создан крупнейший в мире дифференциальный анализатор — специализированная аналоговая машина для решения дифференциальных уравнений.

Анализатор использовался в основном для составле­ния и корректирования таблиц стрельбы и бомбомета­ния — работа, которую Муровская школа выполняла по контракту с артиллерийским управлением армии США. К этой работе был привлечен ряд преподавателей шко­лы, в том числе и Джон В. Моучли, который смог таким образом вернуться к своим старым идеям по автомати­зации вычислений. Учитывая «тихоходность» и невысо­кую надежность анализатора, .он предложил заменить его автоматической электронной цифровой вычислитель­ной машиной.

• Помимо Моучли, электронные устройства в 30-е годы строили П. Кроуфорд в США, Ямашита в Японии, Шрейдер в Германии.

В августе 1942 года Моучли подает соответствующую докладную записку, но она остается без ответа. Через год Герман Гольдстайн, бывший доцент математики Ми­чиганского университета, а в годы войны — офицер, осу­ществлявший связь между Муровской школой и артил­лерийским управлением, узнав о существовании доклад­ной записки, попросил Моучли восстановить ее содержа­ние. Записка была не только восстановлена, но и до­полнена техническими подробностями, касающимися ис­пользования электронных ламп в вычислительной тех­нике. Автором дополнений был сотрудник Моучли ма­гистр Д. Преспер Эккерт, выпускник Муровской школы, оставленный в ней в 1943 году преподавателем. Молодой ученый, кроме того, занимался разработкой измеритель­ных приборов, в которых использовались электронные лампы.

Докладная записка Моучли—Эккерта была послана в июне 1943 года в Вашингтон, и вскоре артиллерийское управление заключило договор с Пенсильванским уни­верситетом на постройку.«электронной машины для рас­чета баллистических таблиц». Руководителем работ был назначен Моучли, главным инженером—Эккерт, а'тех­ническим куратором от министерства обороны — капи­тан Герман Гольдстайн. 10 инженеров, 200 техников и большое число рабочих в течение двух с половиной лет трудились над созданием «Электронного цифрового ин­тегратора и вычислителя» (Electronics Numerical Inte­grator and Computer, сокращенно ЭНИАК).

Предназначавшийся для военных целей ЭНИАК был закончен через .2 месяца после капитуляции Японии. Это было огромное сооружение, состоящее из 40 панелей, расположенных П-образно и содержащих 18000 элек­тронных ламп и 1500 реле. Машина потребляла около 150 кВт электроэнергии—мощность, достаточная для небольшого завода.

Использование электронных ламп вместо механи­ческих и электромеханических элементов позволило рез­ко увеличить скорость выполнения машинных операций. ЭНИАК тратил на умножение всего 0,0028 секунды, а на сложение и того меньше — 0,0002 секунды. Основными схемами машины были так называемые ячейки «и», дей­ствовавшие как переключатели, ячейки «или», предназ­наченные для объединения на одном выходе импульсов, идущих от разных источников, и, наконец, триггеры.

В ЭНИАКе 10 триггеров соединялись в кольцо, об­разуя десятичный счетчик, который выполнял роль счет­ного колеса механической машины. 10 таких колец плюс 2 триггера для представления знака числа образуют запоминающий регистр. Всего в ЭНИАКе 20 таких ре­гистров. Каждый регистр снабжен схемой передачи де­сятков и мог быть использован также для выполнения операций суммирования и вычитания. Другие арифмети­ческие операции выполнялись в специализированных блоках. Помимо памяти, на триггерных ячейках в маши­не имелся блок механических переключателей, на ко­тором вручную могло быть установлено до 300 чисел,

Числа передавались из одной части машины в дру­гую посредством групп из 11 проводников, по одному для каждого десятичного разряда и знака числа. Зна­чение передаваемой цифры равнялось числу импульсов, прошедших по данному проводнику.

Работой отдельных блоков машины управлял задаю­щий генератор, который определял последовательность тактовых или синхронизирующих импульсов, эти импуль­сы «открывали» и «закрывали» соответствующие элек­тронные блоки машины.

Ввод чисел в машину производился с помощью пер­фокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, как в счетно-ана­литических машинах, с помощью штеккеров и наборных полей. Хотя такой способ программирования и требовал много времени для подготовки машины, то есть для со­единения на наборном поле (коммутационной доске) от­дельных блоков машины, он позволял реализовать счет-н.ые «способности» ЭНИАКа и тем выгодно отличался от способа программной перфоленты, характерного для ре­лейных машин.

ПРОЕКТ АТАНАСОВА, ИЛИ БЫЛО ЛИ НАЧАЛО НАЧАЛОМ?

Через 30 лет после начала работы над ЭНИАКом федеральный окружной суд в американском городе Мин­неаполисе в ходе 135-дневных заседаний установил:

«Эккерт и Моучлн не изобрели первыми автоматическую электронную цифровую вычислительную машину, а из­влекли сущность концепции из изобретения д-ра Джо­на Винсента Атанасова». Итак, началоначалом не было!

Болгарин по происхождению, Атанасов стал амери­канцем во втором поколении. Его дед участвовал в борь­бе болгарского народа против турецкого ига и был убит в 1876 году, когда отцу Атанасова было всего 3 месяца. Через 10 лет мальчик был привезен в Америку дядей, торговцем знаменитым болгарским розовым маслом. Вскоре дядя умер, и отец Атанасова остался совершенно один в чужой стране. Каким-то чудом ему удалось не только выжить, но и закончить один из американских университетов, приобретя специальность инженера-элек­трика.

Джон Винсент Атанасов родился 4 октября 1903 года в Гамильтоне, штат Нью-Йорк. В 22 года он закончил Флоридский университет, а в 1930 году получил степень доктора философии по теоретической физике в Вискон-синском университете. В том же году Атанасов получил должность доцента математики, а затем физики в кол­ледже (позднее — университет) города Эймс, штат Айова.

Работу над проблемой автоматизации вычислений Атанасов начал в 1933 году. Он руководил в то время аспирантами, изучавшими вопросы теории упругости, квантовой физики и физики кристаллов. Математиче­ским аппаратом почти всех задач, с которыми сталки­вался Атанасов и его ученики, были дифференциальные уравнения в частных производных. Для их решения при­ходилось использовать приближенные методы, которые в свою очередь требовали решения больших систем ал­гебраических уравнений. И Атанасов начал размышлять над возможностью применения технических средств для ускорения вычислительного процесса.

Вначале он попытался использовать дифференциаль­ный анализатор Ванневара Буша, но вскоре убедился, что этой аналоговой вычислительной машине не хватает точности. Затем он обратился к табулятору Холлерита, но обнаружил, что при решении больших систем уравне­ний скорость вычислений на счетно-аналитической ма­шине, построенной из электромеханических элементов, явно недостаточна. И тогда Атанасов решил сконстру­ировать вычислительную машину, основанную на совер­шенно новых принципах и использующую в качестве эле­ментной базы электронные лампы. Позднее он вспоми­нал: «В одну очень холодную ночь поздней осени 1937 года я возвратился в свой университетский кабинет,

где работал над проблемой. Попытался настроитьсяназадачу, продумывая деталь за деталью, но ничегоневыходило. Отчаявшись, я сел в автомобиль и промчался по автостраде свыше 300 километров со скоростью 100 километров в час. Остановившись около какого-то бара или гостиницы, я вышел в морозную ночь и вскоре почувствовал себя абсолютно спокойным... я как бы ощу­тил весь свой опыт и все свои знания... Когда брезжил рассвет, я в значительной степени достиг существенно нового подхода к вычислительному процессу...»

Атанасову не удалось заинтересовать своим проек­том фирмы, производившие счетные машины, так как в 30-е годы мало кто верил в возможность создания на­дежного вычислительного устройства на электронных лампах. Финансировать работу согласились эксперимен­тальная агрономическая станция штата Айова и част­ная нью-йоркская «Рисеч корпорейшн». Осенью 1939 Атанасов приступил к постройке машины вместе со сво­им аспирантом Клиффордом Берри. Они намеревались изготовить специализированную ЭВМ, предназначенную для решения системы алгебраических уравнений с 30 не­известными. Впоследствии Г. Гольдстайн писал: «Атана­сов проявил глубокое понимание фундаментальной важ­ности больших систем линейных уравнений. Мы с фон Нейманом выбрали этот же предмет для первой совре­менной статьи по численному анализу, так как считали его основополагающим для всей вычислительной мате­матики».

Исходные данные должны были вводиться в машину с помощью стандартных перфокарт в десятичной форме. Затем в самой машине осуществлялось преобразование десятичного кода в двоичный, в котором и проводились все вычисления. Каждое машинное слово состояло из 50 двоичных разрядов.

Атанасов вспоминал: «Я рассматривал возможность применения системы счисления с основанием, отличным от 10. Помню, я проделал некоторый расчет в связи с выбором оптимального основания системы для машинно­го счета. Результатом было иррациональное число е == == 2,71828...*. Конечно, такое основание невозможно, так как им должно быть целое число... Практические со-

* Аналогичный расчет можно найти сейчас во всех учебниках по вычислительной технике.

ображения принудили меня выбрать основание 2. Сна­чала мне казалось, что моя идея оригинальна, но впо­следствии выяснилось, что один француз рекомендовал использовать систему счисления с основанием 2 в ме­ханических счетных машинах» *.

Основными арифметическими операциями в машине были сложение и вычитание, а умножение и деление вы­полнялись через них. Кроме того, была еще операция сдвига числа влево и вправо на один разряд, что при использовании двоичной системы счисления равносиль­но умножению и делению на 2. Эти операции реализо­вывались последовательно (поразрядно) с помощью 32 одноразрядных ламповых сумматоров.

-Принципиально новым для счетной техники было использование емкостной регенеративной памяти. За­поминающее устройство представляло собой барабан, вращающийся со скоростью один оборот в секунду. На нем было смонтировано 1632 бумажных конденсатора, по 31 штуке на каждой из 32 дорожек. Конденсаторы располагались внутри барабана, на внешней поверхно­сти которого находились медные контакты. При враще­нии барабана эти контакты коммутировались щетками. Значение двоичного разряда определялось полярностью заряда на конденсаторе, причем при обращении к па­мяти этот заряд менял знак. Если же обращения не про­исходило, то с каждым оборотом барабана заряд на конденсаторе регенерировался (с целью предотвращения утечки). В машине было 2 таких запоминающих ус­тройства. Длительность операции сложения (вычитания)

• Автором этой рекомендации был инженер Р. Вальта (1931). Позднее Леон Куффиньял, известный впоследствии кибернетик, раз­вил эту идею в своей докторской диссертации. Независимо от Ата-насова и примерно в то же время (1934) использовать двоичную си­стему в релейных ЭВМ предложил немецкий инженер К. Цузе.

Применение двоичной системы в вычислительных устройствах обусловлено главным образом удобством реализации элементов с двумя устойчивыми состояниями и экономией оборудования. Пер­вым обратился к этой системе Джон Непер, опираясь при этом не на чисто технические, а на арифметические ее преимущества. В при­ложении к «Рабдологии» он описывает счетную доску, с помошью которой выполняются операции умножения, деления, возведения в квадрат и извлечения квадратного корня в двоичной системе. Вычис­ления в двоичной системе Непер назвал «местной арифметикой» (Arithmeticae localis). По-видимому, это название обосновано тем, что каждому двоичному числу, точнее каждой степени двух, ста­вится в соответствие определенная клетка счетой доски — опреде­ленное место (locus).

двух пятидесятиразрядных двоичных чисел определя­лась временем вращения барабанов, то есть составляла одну секунду.

Атанасов и Берри довольно быстро продвигались к своей цели, и уже 15 января 1941 года газета «Де мойн трибюн» сообщала: «Д-р Джон Атанасов, профессор фи-Эйки колледжа Айова, строит электрическую вычисли­тельную машину, которая по принципу своей работы ближе человеческому мозгу, чем любая другая машина. По словам д-ра Атанасова, машина будет содержать более 300 вакуумных ламп и будет использована для ре­шения сложных алгебраических уравнений. Для ее раз­мещения потребуется примерно столько же площади, сколько для большого канцелярского стола. Машина це­ликом выполнена на электрических деталях и будет использована в научных исследованиях. Д-р Атанасов работает над машиной уже несколько лет и закончит

работу примерно через год».

И действительно, весной 1942 года работа над ма­шиной была в основном закончена; не было готово толь­ко периферийное оборудование на перфокартах. Однако в. это время США уже находились в состоянии войны с нацистской Германией, и проблемы военного времени отодвинули на второй план работу над первой ЭВМ. Берри перешел в калифорнийскую корпорацию «Консо-лидейтед инжниринг», а Атанасов принял предложение работать в акустическом отделении военно-морской ла­боратории в Вашингтоне. О проекте забыли, и в 1942 го­ду машину демонтировали.

Но Атанасов нашел достойного продолжателя своего дела. Им был... Джон Моучли! Впервые встретившись с Атанасовым в декабре 1940 года во время конферен­ции Американской ассоциации содействия научному про­грессу в Филадельфии, он проявил столь большой инте­рес к машине, что Атанасов пригласил его посетить Эймс и ознакомиться с уже созданными узлами. Моучли принял предложение и в 1941 году провел несколько дней в колледже Айовы. «Беседы Моучли с Атанасовым и Берри были свободными и открытыми, и никакая важ­ная информация, касающаяся теории машины, ее про­екта, конструкции, применения и работы, не была ута-яна»,— отмечалось в решении миннеаполисского суда.

В письме от 30 сентября 1941 года Моучли спраши­вал Атанасова: «Не будете ли Вы возражать, если я

займусь разработкой вычислительного устройства, со­держащего некоторые особенности Вашей машины?.. Ко­нечно, возможна и другая постановка вопроса: если Ваш проект нацелен на получение прав на некоторый круг изобретений, то я бы убедил школу Мура поддер­жать Вас, и мне был бы, таким образом, открыт путь для постройки «калькулятора Атанасова».

Получить патент на машину Атанасову не удалось, но это, видимо, не очень его обеспокоило. К работе над ЭВМ он больше не возвращался. Проработав в военно-морской лаборатории до 1952 года, он основал соб­ственную фирму «Однэнс инжиниринг», которую в 1957-м продал «Аэроджет дженерал корпорейшн», заняв пост вице-президента последней. В 1963 году Атанасов вы­шел на пенсию; в том же году умер Берри, его коллега по работе над ЭВМ.

«Проект Атанасова» стал известен широкой публике лишь в конце 60-х годов в связи с судебным разбира­тельством иска фирмы «Сперри рэнд», приобретшей па­тентные права Моучли и Эккерта, к фирме «Ханиуэлл». Разбирательство, длившееся почти 7 лет (!), заверши­лось судом в Миннеаполисе.

В 1970 году Атанасов по приглашению Болгарской Академии наук посетил родину своих предков и реше­нием Президиума Народного собрания был награжден орденом Кирилла и Мефодия I степени «За выдающий­ся вклад в создание электронных вычислительных ма­шин».

Уточнение обстоятельств рождения первых электрон­ных вычислительных машин отнюдь не умаляет заслуг Моучли и Эккерта. Атанасов одним из первых «нащу­пал» важные принципы организации автоматического электронного вычислителя (и, в частности, использова­ние двоичной системы счисления) и был близок к соз­данию специализированной ЭВМ. Моучли же, з-аимство-вав некоторые идеи Атанасова, смог вместе с Эккертом создать универсальную машину, широко применявшую­ся в практических целях и наглядно продемонстрировав­шую преимущества ЭВМ перед механическими и элек­тромеханическими машинами.