Компютърът mark 1, първият американски програмируем компютър: размер, характеристики, година на въвеждане

През 1936 г. американският физик Хауърд Ейкън, бъдещият създател на компютъра "Марк 1", започна да прави планове за автоматично изчислително устройство. Промяната е настъпила, когато е правил проучване за дисертацията си. Темата на дисертацията е космическият заряд. Скоро дисертацията му се състои основно от решаване на нелинейни (диференциални) уравнения. Единствените налични по това време методи за числено решаване на задачи бяха разработването на електромагнитни настолни калкулатори. Тази статия ще се фокусира върху коя година се появява първият компютър и на когото трябва да се благодари за основата на настоящата технология.

История на устройството

Тъй като Айкън е напълно наясно, че за създаването на такъв компютър ще са необходими много пари, той решава да се обърне към един от основни производители на механични и електромеханични калкулатори в САЩ - Monroe Calculating Machine Company. На 22 април 1937 г. той представя плановете си за автоматично изчисление на главния инженер Чейс:

• "четири правила на аритметиката";
• предварително установен контрол на последователността;
• съхраняване и запомняне на зададени или изчислени стойности;
• управление на последователността, което може автоматично да реагира на изчислени резултати или символи, както и машинописен запис на всичко, което се случва в машината;
• запис на всички изчислени резултати.

Ейкън е окуражен от ентусиазираната подкрепа на Чейс. Отишъл е при началниците си в "Монро" и направи всичко по силите си, за да ги убеди в избора си и в идеите на Ейкън. Chase увери, че проектът "изстрел", въпреки че осъществяването на идеята ще струва много пари. Той е имал далновидността и прозорливостта да разбере, че предложената машина ще бъде безценна за дейността на компанията през следващите години. Въпреки убеждаването машината е отказана.

Подкрепа за проекта и провал на идеята

Решение "Монро" да не подкрепи проекта на Ейкън със сигурност е било удар, но ученият сигурно е бил окуражен от ентусиазма на Чейс за новата идея. Именно Чейс предлага на Ейкън да потърси помощта на професор Теодор Браун от Харвард, близък сътрудник на Томас Джей Монро и негов приятел. Уотсън, президент на IBM.

По този начин Айкън установява успешен контакт с IBM. Браун препоръчва Айкън на старши инженер от IBM, Брайс, който одобрява проекта му и го съветва как да направи компютър и да построи машината на мечтите си. Мнението на Брайс е от решаващо значение за решението на IBM и ученият получава подкрепата на президента Уотсън за създаването на проекта в Харвард.

Развитие на компютърните науки

Айкън подготвя официално предложение, наречено "Предложение за автоматична изчислителна машина". Тя съдържаше 22 машинописни страници с двойни интервали. Документът започва с кратка история на изчислителните средства, обсъждане на механизмите на Бабидж и споменаване на механизмите на Шьоц, Виберг и Грант. Кратко описание на изобретяването на перфокартите за табулиране, броене, сортиране и аритметични машини.

Известно е, че Хенри Бабидж, син на Чарлз Бабидж, е сглобил около шест малки демонстрационни модела за двигателите на машината - начина, по който тя ще извършва последователни операции и ще работи. Изпратил е един в Харвард. Айкън посочва също, че машините, произведени от IBM, са позволили да се извършват ежедневни дейности в счетоводните офиси на промишлени предприятия по света това, което Бабидж е искал да постигне от много дълго време.

След това Айкън се спира на необходимостта от по-мощни методи за изчисления в математическите и физическите науки. Той очерта общите приложения на своя компютър - теоретична физика, радио и телевизия, астрономия, теория на относителността и дори бързо развиващите се науки за математическа икономика и социология.

От какво се нуждае науката?

Айкън идентифицира четири характеристики на дизайна, които разграничават конвенционалните перфокарти от изчислителните механизми, както се изисква в науката:

1. Машината, проектирана за математиката, трябва да може да да се обработват като положителни, както и отрицателни стойности, докато счетоводната техника е почти изцяло предназначена за задачи с положителни числа.
2. Изчисленията за математически цели трябва да предоставят и използват много видове трансцендентни функции (например тригонометрични), елиптични функции, функции на Бесел и вероятностни функции.
3. За математиката изчислителната машина трябва да работи напълно автоматично. Когато се изчислява стойността на функция при нейното последователно разширение, изчисляване по формула или числено интегриране (при решаване на диференциално уравнение), процесът, веднъж установен, трябва да продължи безкрайно, докато се покрие обхватът на независимите променливи.
4. Изчислителните машини, предназначени за математиката, трябва да могат да изчисляват редове вместо колони, тъй като често при числено решаване на диференциално уравнение изчисляването на дадена стойност зависи от предишни стойности. Всъщност това е обратното на начина, по който съществуващото изчислително оборудване е в състояние да оценява дадена функция стъпка по стъпка.

Първите две задачи, възложени на новата машина, бяха да се изчислят някои интеграли и таблици.

Разработване и прилагане на инструменти за военни цели

През 1944 г. машината е предадена на военноморските сили за времето на войната. След това тя става официална единица на "Бюро за кораби" под командването на Ейкън. До август компютърът "Марк 1" работи с голям военноморски персонал, включващ редица офицери, сред които Грейс Хопър и Ричард Блох. Те стават главни програмисти.

Съществува забавна история, според която Грейс Хопър, която програмирала компютъра Mark I, открила първия компютърен "бъг": мъртъв молец, попаднал в Mark I, чиито крила блокирали четенето на дупките в хартиената лента. Думата "бъг" се използва за описание на дефекта поне от 1889 г., но Хопър има заслуга за думата "отстраняване на грешки", с която се описва работата по коригиране на грешки в програмите.

През 1944 и 1945 г. компютърът "Марк 1" работи почти непрекъснато, 24 часа в денонощието, седем дни в седмицата. Военновременните проблеми, които машината трябваше да реши, включваха изследвания на магнитните полета, свързани със защитата на корабите от магнитни мини, както и математически аспекти на проектирането и използването на радари. Най-важният проблем по време на войната беше комплектът имплозивни калкулатори, донесен от Лос Аламос от Джон фон Нойман.

Едва година по-късно служителите научават, че тези изчисления са направени във връзка с разработването на атомната бомба. Изключителният успех и натрупването на компютри водят до това, че в началото на 1945 г. Военноморските сили искат от Айкън да проектира и построи втора такава машина. Айкън го направи. Компютърът става известен като Mark II.

Характеристики на първото устройство

Компютърът Mark 1 е с гигантски размери - висок е 2,5 метра. 16 м дължина, почти 1 м дълбочина. Размерите на първите компютри не изненадаха никого, напротив, те вдъхновиха другите със своята мощ:

• Тежеше пет тона.
• Той съдържа 760 000 части.
• Използвани са 530 мили проводници.
• 3,000,000 кабелни връзки.
• 3500 множество релета с 35000 контакта.
• 2 225 брояча.
• 1 484 десетполюсни превключвателя.

Въз основа на технологията, разработена от IBM през 1944 г., традиционните компоненти на IBM, като електромагнитни релета, броячи, куплунги, перфоратори и електрически пишещи машини, се използват за статистически и счетоводни бизнес машини. Имаше и нови елементи на дизайна, включително релета и броячи, които дотогава не бяха използвани в машина на IBM.

Те бяха по-малки и по-бързи. Входът се състои от перфорирана лента, а изходът е серия от перфокарти или разпечатка от стандартна електрическа пишеща машина на IBM.

Компютърът се задвижваше от дълъг, хоризонтален, непрекъснато въртящ се вал, който издаваше грохот, описван като шума на гигантски шевна машина. Валът се въртеше с около 3 оборота в секунда. Устройства за съхранение и изчисленията даваха думи с дължина 23 десетични знака, а двадесет и четвъртият беше запазен за алгебричен знак. Изчисленията се извършват с десетични дроби с фиксирана десетична точка.

Какво може да направи машината от миналия век?

Машината се състои от 7 основни модула, подредени от ляво на дясно:

1. Две секции с 60 регистъра за въвеждане на цифрови данни (константи, които се появяват във всяко алгебрично или диференциално уравнение), всяка от които съдържа 24 превключвателя, съответстващи на 23 цифри, и 1 за знак (плюс/минус). Местоположението на всеки от тези 60 регистъра е обозначено с номер, така че хората да могат да използват това местоположение според инструкциите за определяне на числото, което се извиква при изчислението. За всеки проблем те трябваше да се задават ръчно.
2. Седем секции, съдържащи 72 допълнителни регистъра (т.нар. акумулатори, тъй като те могат не само да съхраняват числа, но и да събират и изваждат; всъщност изваждането се извършва чрез събиране).
3. Всеки регистър се състоеше от 24 електромагнитни бобини, които отново осигуряваха капацитет за 23-цифрени числа, като едно място беше запазено за знак. Вторият комплект панели включва като модул за съхранение и обработка. За събиране и изваждане изисква 1 машинен цикъл (приблизително 330 ms).
4. 70 батерии с общо предназначение, 2 батерии със специално предназначение. Много интересна е последната батерия, която може да се използва за създаване на нещо като условен операторски сигнал (след сравняване на две числа).

По-мощен сигнал обаче е добавен към програмируемия компютър след 1945 г., когато е вграден втори лентов четец за команди.

В най-дясната част са разположени електрически пишещи машини, четец за команди на магнитна лента и перфоратор. Пишещата машина отпечатва окончателния текст решение на проблема. Перфоратор автоматично перфорира карти с данни. Лентата има 24 колони (т.е. 24 дупки на ред). Един ред данни изисква 4 реда (23 позиции за цифри и 1 за знак за всяко число, всяка позиция изисква 4 кладенци, 24 x 4 = 96).

Основни функции на устройството

Първото поколение компютри беше оборудвано с четири четеца. Един използван да се храни инструкции в машината, докато другите три съдържат таблици с функции и могат да предоставят стойности според изискванията. Предвидена е и интерполация на стойностите, показани на лентите. По този начин имаше вградени "подпрограми" (както ги наричаше Айкън), които включваха преобразуване на дадено число с помощта на някоя присъща функция (като синус, експонента, логаритъм или експоненция).

Характеристики "Марк 1" Очакваше се машината да работи около 10 години. Въпреки това той продължава да работи в Харвард в продължение на 14 години след войната, произвеждайки полезна работа. И едва през 1959 г. устройството най-накрая "пенсиониран". По това време тя служи и като практическа база за обучение на няколко студенти в Харвард, където Айкън създава новаторска програма, която по-късно е наречена "Компютърни науки" - с курсове за студенти в бакалавърска и магистърска степен по пътя към магистърска или докторска степен. Много важни фигури в света на компютрите са били представени в тази тема на Харвард и "Марк I".

Напредъкът изпреварва технологиите - появата на нови "smart" машини

Поглеждайки назад, е лесно да се разбере коя е годината на появата на първия компютър. Но най-големите значението на "Марк I" е, че това е първата напълно автоматична изчислителна машина, която не изисква човешка намеса в работния процес, извършва автоматична последователност от изчисления по програма и прави това без грешки.

Хауърд Айкън разработва нови изчислителни машини. Зад компютъра Mark 1» последван от Mark II, през 1949 г. - от Mark III/ADEC, а през 1952 г. - от Mark IV. IBM вече беше започнала да създава нов компютър SSEC без Хауърд Айкън.

Технологичен напредък и иновации в работата

Тъй като първият компютър е използвал механична и релейна технология, работата му е била много бавна. Нов "Марк" даваше резултати по-бързо от конвенционалните изчислителни техники, но не толкова бързо, колкото машините, които скоро се появиха в света по-късно. Те включват машини като ENIAC. Добавянето или изваждането изисква един цикъл на машината, който отнема около 0,3 секунди. Умножението отнемаше 20 цикъла или 6 секунди, а делението - до 51 цикъла или над 15 секунди. Поради тази причина в по-късните модели делението е заменено с реципрочно умножение.

Въпреки че Mark I е бавен, той не само е програмиран за конкретна операция, но е и многофункционален. Въпреки че първоначалният дизайн на ENIAC е бил ограничен до задачата да изчислява балистични таблици, "Марк I" е в състояние да се адаптира към повече фърмуер.