Инноваторы. Как несколько гениев, хакеров и гиков совершили цифровую революцию
Шрифт:
В конструкции Mark I позаимствовано много идей у машины Бэббиджа. Он тоже был цифровым, хотя и не двоичным, его колесики имели десять позиций. Вдоль его пятнадцатиметрового вала располагалось семьдесят два счетчика, которые могли запоминать числа длиной до двадцати трех разрядов, в окончательном виде он весил пять тонн, имел примерно двадцать пять метров в длину и семнадцать в ширину. Вал и другие движущиеся части поворачивались с помощью электрических двигателей. Но он был медлительным. Вместо электромагнитных реле в нем использовались механические, которые открывались и закрывались с помощью электрических моторчиков, и это означало, что требовалось около шести секунд, чтобы проделать операцию умножения. Для сравнения, в машине Стибица для этого требовалась одна секунда. Mark I, однако, обладал одной замечательной особенностью, которая станет одной из основных черт современных компьютеров: он был полностью автоматическим. Программы и данные вводились с помощью бумажной ленты, и она могла работать в течение нескольких дней без какого-либо участия человека. Это дало Айкену право провозгласить, что «мечта Бэббиджа сбылась» [87] .
87
Ceruzzi, Reckoners, 65.
Конрад
Тем временем в 1937 году немецкий инженер дома собирал свою машину, и он опередил всех остальных изобретателей, хотя они и не подозревали об этом. Конрад Цузе заканчивал конструировать прототип двоичного калькулятора, который мог читать инструкции с перфоленты. Однако по крайней мере первая версия машины, названной им Zi, была не электрической и не электронной, а механической.
Как и многие инноваторы цифровой эры, Цузе с детства обожал и искусство, и технику. После окончания технического колледжа он получил работу инженера-прочниста в самолетостроительной компании в Берлине, и ему пришлось решать линейные уравнения, которые включали все виды нагрузки, силы и коэффициенты упругости. Даже при использовании механических калькуляторов одновременно решить больше шести линейных уравнений с шестью неизвестными менее чем за день человеку было почти невозможно. А если бы в уравнениях было двадцать пять переменных, это могло занять год. И потому Цузе, как и многие другие, загорелся идеей механизировать утомительный процесс решения математических уравнений. Он превратил гостиную своих родителей в квартире, расположенной вблизи берлинского аэропорта Темпельхоф, в мастерскую [88] .
88
Horst Zuse (son), The Life and Work of Konrad Zuse,homepage.tonline.de/Konrad_Zuse_index_english_html/biography.html.
В первой версии машины Цузе двоичные числа запоминались с помощью тонких металлических пластин с штырьками и прорезями, которые он и его друзья делали ножовкой. Сначала данные и программы вводились с помощью перфолент, но вскоре он перешел на использованную 35-миллиметровую кинопленку, которая оказалась не только прочнее, но и дешевле. Его компьютер Zi был завершен в 1938 году, и он смог справляться с несколькими проблемами, хотя и работал не очень надежно, поскольку все его компоненты были сделаны вручную и часто давали сбои. К сожалению, Цузе работал в условиях, непохожих на условия в Bell Labs, он не мог работать рука об руку с инженерами.
Однако Zi показал, что теоретически логическая концепция Цузе работоспособна. Его друг по колледжу Гельмут Шрайер предложил сделать следующую версию машины, использовав электронные лампы вместо механических переключателей. Если бы они занялись этим сразу, то вошли бы в историю как первые изобретатели работающего современного компьютера: бинарного, электронного и программируемого. Но Цузе, а также эксперты, с которыми он консультировался в техническом колледже, отказались от создания устройства с почти двумя тысячами электронных ламп из-за его дороговизны [89] .
89
Архив Конрада Цузе, http://www.zib.de/zuse/home.php/Main/Konrad-Zuse; Ceruzzi, Reckoners, 26.
И друзья решили для Zi вместо электронных ламп использовать подержанные электромеханические реле, которые приобрели в телефонной компании: они были крепче и дешевле, хотя намного медленнее. В результате появился компьютер, в котором для арифметической ячейки использовалось реле. Тем не менее блок памяти был механическим, использующим подвижные штырьки в металлической пластине.
В 1939 году Цузе начал работу над третьей моделью — Z3, в которой использовались электромеханические реле как для арифметического устройства, так и для блоков памяти и управления. В 1941 году она была завершена и стала первым полностью работающим универсальным программируемым цифровым компьютером. И даже хотя в нем не был заложен способ напрямую совершать условные переходы и ветвление в программах, он теоретически мог работать как универсальная машина Тьюринга. Его главное отличие от более поздних компьютеров состояло в том, что в нем использовались неповоротливые электромагнитные реле, а не электронные компоненты, такие как электронные лампы или транзисторы.
Друг Цузе Шрейер продолжал писать докторскую диссертацию под названием «Реле на лампах и методы их переключения», в которой описывался способ создания мощного и быстрого компьютера на электронных лампах. Но когда они с Цузе в 1941 году предложили его немецкой армии, командование заявило, что для создания машины потребуется около двух лет, а они уверены, что они выиграют войну раньше [90] . Военных больше интересовало производство оружия, а не компьютеров. В результате Цузе оторвался от своей работы по конструированию компьютеров и отправился обратно на завод по сборке самолетов. В 1943 году, когда начались бомбардировки Берлина союзниками, его компьютеры и чертежи были уничтожены.
90
Horst Zuse, The Life and Work of Konrad Zuse, часть 4; Ceruzzi, Reckoners, 28.
Цузе и Стибиц, работая независимо друг от друга, пришли к использованию реле в схемах, которые могли делать двоичные вычисления. Как они могли в одно и то же время прийти к этой идее, когда контакты между этими двумя группами из-за войны были невозможны? Частично ответ состоит в том, что технологический и научный прогресс привели к тому, что момент настал.
Как и многие другие инноваторы, Цузе и Стибиц были знакомы с использованием реле в
телефонных схемах, и было логично применять их для бинарных операций в математике и логике. Кроме того, Шеннон, который также был хорошо знаком с телефонными схемами, теоретически доказал, что с помощью электронных схем можно выполнять логические задачи булевой алгебры. Идея использования цифровых схем в качестве ключевых элементов вычислительной техники вскоре была воспринята исследователями практически везде, даже в таких богом забытых местах, как штат Айова.Джон Винсент Атанасов
В 1937 году другой изобретатель, находившийся далеко и от Цузе, и от Стибица — в Айове, также экспериментировал с цифровыми схемами. Имя изобретателя — Атанасов, он напряженно работал в своем подвале, где и произошел очередной исторический прорыв: он создал вычислительное устройство, в котором использовались электронные лампы, по крайней мере в части схем. В каком-то смысле его машина была менее продвинутой, чем другие, — она не была ни программируемой, ни универсальной. Она не была и полностью электронной, поскольку в ней использовались некоторые медленно движущиеся механические элементы. И хотя он построил модель, которая теоретически могла производить расчеты, он так и не смог заставить ее надежно работать. Тем не менее Джон Винсент Атанасов, которого жена и друзья называли Винсентом, заслуживает чести называться первопроходцем, поскольку он придумал первый частично электронный цифровой компьютер. Однажды декабрьским вечером в 1937 году, когда он долго мчался непонятно куда на машине с бешеной скоростью, он вдруг понял, как создать такой компьютер [91] .
91
История Джона Атанасова и противоречивые оценки его заслуг породили довольно эмоциональные работы по исследованию его роли. Историческая и юридическая битва за первенство столкнула его с Джоном Мокли и Преспером. Все четыре основные книги об Атанасове написаны людьми, принявшими его сторону в этом споре. Книга Alice Burks Who Invented the Computer? (2003) частично основывается на материалах юридического расследования. Alice Burks and Arthur Burks, The First Electronic Computer: The Atanasoff Story (1988) — это более ранняя книга с большим уклоном в технику; Артур Баркс был инженером в команде ENIAC, который стал под конец критиковать Мокли и Эккерта. Clark Mollenhoff, Atanasoff: Forgotten Father of the Computer (1988) — эта книга была написана репортером — лауреатом Пулицеровской премии, бывшим шефом бюро Des Moines Register, который, узнав про Атанасова, решил не дать ему затеряться в истории. Jane Smiley, The Man Who Invented the Computer (2010). Автор — признанная новеллистка, которая погрузилась в историю создания компьютеров и стала защитницей Атанасова. Об истории самих Алисы и Артура Барксов и их ангажированности можно прочесть в написанном ими очерке Memoir of the 1940s, Michigan Quarterly Review, весна 1997 г., http://hdl.handle.net/2027/spo. act2080.0036.201. Этот раздел опирается также на материал статей: Allan Mackintosh, Dr. Atanasoff’s Computer, Scientific American, август; Jean Berry, Clifford Edward Berry: His Role in Early Computers, Annals of the History of Computing, июль 1986 г.; William Broad, Who Should Get the Glory for Inventing the Computer? New York Timss, 22 марта 1983 г.
Атанасов родился в 1903 году. Его отец был эмигрантом из Болгарии, а мать принадлежала к одной из старейших семей Новой Англии. Винсент был старшим из семи детей. Отец работал инженером на электростанции, находящейся в ведении Томаса Эдисона в Нью-Джерси, а затем переехал с семьей во Флориду — в городок, расположенный к югу от Тампы. В девять лет Винсент помог отцу провести в их флоридский дом электричество, и отец подарил ему логарифмическую линейку производства компании Дицгена. Он позже вспоминал: «Эта логарифмическая линейка была моей любимой игрушкой» [92] . В раннем возрасте он погрузился в изучение логарифмов с энтузиазмом, который кажется немного дурацким, хотя он рассказывал об этом с серьезным видом: «Можете ли вы себе представить, как мальчик в девять лет, у которого на уме бейсбол, может измениться от [знакомства с логарифмами]? Бейсбол был почти забыт, когда я приступил к серьезному исследованию логарифмов». За лето он посчитал, чему равен логарифм 5 по основанию е, потом, еще в средней школе, с помощью своей матери (когда-то она была учительницей математики) освоил дифференциальное исчисление. Отец взял его на фосфатный завод, где работал инженером-электриком, и показал, как работают генераторы. Винсент закончил старшие классы средней школы за два года, выдерживая двойную нагрузку, и получил по всем предметам высшие оценки.
92
John Atanasoff, Advent of Electronic Digital Computing, Annals of the History of Computing, июль 1984 г., 234.
В Университете Флориды он изучал электротехнику и проявил склонность к практическим занятиям, проводя много времени в механических и литейных мастерских университета, но не только. Он по-прежнему был влюблен в математику, и уже на первом курсе ему пришлось столкнуться с доказательством, использующим двоичную систему счисления. Он закончил институт с самым высоким средним баллом среди выпускников того года. Он получил стипендию для обучения в магистратуре по математике и физике от штата Айова, и хотя позже был принят в Гарвард, не изменил своего решения и остался в городе Эймсе, в «кукурузном поясе».
Атанасов продолжил обучение и получил докторскую степень по физике в Университете штата Висконсин, где проделал такой же путь, как и другие первопроходцы компьютерных технологий, начиная с Бэббиджа. Его работа про гелий, поляризующийся в электрическом поле, предполагала утомительные расчеты. Когда он продирался через математические дебри, имея под рукой лишь настольный арифмометр, он стал мечтать о калькуляторе, который мог бы делать больше операций. После возвращения в университет Айовы в 1930 году на должность доцента он решил, что его степеней по электротехнике, математике и физике достаточно для создания такого калькулятора.