ЭНІАК

ENIAC

ЭНІАК (англ.: ENIAC, скар. ад Electronic Numerical Integrator and Computer — Электронны лічбавы інтэгратар і вылічальнік) — першы электронны лічбавы камп’ютар агульнага прызначэння, які можна было запраграмаваць для рашэння вялікага шэрагу задач.

Гісторыя стварэння

Архітэктуру камп’ютара пачалі распрацоўваць у 1943 годзе Джон Прэспер Экерт і Джон Уільям Моклі, навукоўцы з Пенсільванскага ўніверсітэта (Інстытут Мура) па заказу Лабараторыі балістычных даследаванняў Арміі ЗША для вылічэнняў табліц стральбы. У адрозненне ад створанага ў 1941 годзе нямецкім інжынерам Конрадам Цузэ комплексу Z3, які выкарыстоўваў механічныя рэле, у ЭНІАКу ў якасці асновы кампанентнай базы выкарыстоўваліся вакуумныя лямпы.

Вылічэнні табліц стральбы ў той час праводзіліся ўручную на настольных арыфмометрах. Гэтую працу ў Лабараторыі выконвалі асобыя служачыя — «камп’ютары» — у асноўным жанчыны. Табліцы стральбы разлічваліся для кожнага асобнага тыпу снарада і гармат перад адпраўкай на фронт, і пры розных камбінацыях мноства параметраў (тэмпература паветра, хуткасць ветру, шчыльнасць грунту пад гарматай, узвышэнне ствала, хуткасць снарада, тэмпература ствала зброі) патрабаваўся карпатлівы разлік каля 3000 траекторый палёту снарада. Разлік кожнай траекторыі патрабаваў прыкладна 750 аперацый. Адзін вылічальнік быў здольны выканаць гэтыя вылічэнні за 12 дзён, а на вылічэнне ўсёй табліцы патрабавалася 4 гады. Без гэтых табліц артылерыстам проста немагчыма было дакладна трапіць у цэль. Ва ўмовах Другой Сусветнай вайны на фронт у Еўропу адпраўлялі ўсё больш і больш гармат і снарадаў да іх, у 1943 годзе саюзныя войскі высадзіліся ў Афрыцы, дзе ўмовы стральбы былі абсалютна новымі і патрабавалі новых табліц, а Лабараторыя не спраўлялася са своечасовымі вылічэннямі.

У Інстытуце Мура меўся адзін з нешматлікіх «дыферэнцыяльных аналізатараў» — механічны вылічальнік, з дапамогай якога Лабараторыя выконвала некаторую частку вылічэнняў. У гэтым інстытуце Моклі працаваў выкладчыкам, а Экерт — быў простым студэнтам з выдатнымі здольнасцямі інжынера. У жніўні 1942 года Моклі напісаў 7-старонкавы дакумент «The Use of High-Speed Vacuum Tube Devices for Calculation», у якім прапанаваў інстытуту пабудаваць электронную вылічальную машыну на аснове вакуумных лямп. Кіраўніцтва Інстытута работу не ацаніла і здала дакумент у архіў, дзе ён увогуле быў згублен.

Супрацоўніцтва Інстытута Мура з Балістычнай Лабараторыяй па вылічэнню табліц стральбы ажыццяўлялася праз капітана Германа Голдстайна, які да паступлення на службу ў армію працаваў прафесарам матэматыкі ва Універсітэце штата Мічыган. Толькі ў пачатку 1943 года адзін з супрацоўнікаў Інстытута ў выпадковай гутарцы паведаміў Голдстайну аб ідэі электроннага вылічальніка, з якой насіўся Моклі. Выкарыстанне электроннай вылічальнай машыны дазволіла б Лабараторыі скараціць час вылічэнняў з некалькіх месяцаў да некалькіх гадзін. Голдстайн сустрэўся з Моклі і прапанаваў яму звярнуцца з заяўкай у Лабараторыю на выдаткаванне сродкаў для пабудовы задуманай машыны. Моклі па памяці аднавіў страчаны 7-старонкавы дакумент з апісаннем праекта.

9 красавіка 1943 года праект быў прэзентован Балістычнай Лабараторыі на пасяджэнні Камісіі па навуцы. У праекце машына называлася «электронны дыф. аналізатар» (electronic diff. analyzer). Гэта быў хітрык, каб навізна праекта не выклікала непрыняцця ў ваенных. Усе яны былі ўжо знаёмы з дыферэнцыяльным аналізатарам, і праект у іх уяўленні проста прапанаваў зрабіць яго не механічным, а электрычным. Праект абяцаў, што пабудаваны камп’ютар будзе вылічаць адну траекторыю за 5 хвілін.

Пасля кароткай прэзентацыі навуковы кансультант камісіі Освальд Веблен ухваліў ідэю, і грошы (61.700 долараў ЗША на першыя 6 месяцаў даследчых работ) былі выдаткаваны. У кантракце пад нумарам W-670-ORD-4926, заключаным 5 чэрвеня 1943 года, машына называлася «Electronic Numerical Integrator» («Электронны лічбавы інтэгратар»), пазней да назвы было дабаўлена «and Computer» («і камп’ютар»), у выніку чаго атрымалася знакамітая абрэвіятура ENIAC. Куратарам праекта «Project PX» з боку Арміі ЗША выступіў зноў-такі Герман Голдстайн.

У лютым 1944 года былі гатовыя ўсе дыяграмы і чарцяжы будучага камп’ютара, і група інжынераў пад кіраўніцтвам Экерта і Моклі прыступіла да ажыццяўлення замыслу ў «жалезе». У групу ўвайшлі таксама:

• Роберт Шаў (Robert F. Shaw) (функцыянальныя табліцы)
• Джэфры Чуан Чу (англ.: Jeffrey Chuan Chu) (модуль дзялення/здабывання квадратнага кораня)
• Томас Кайт Шарплес (Thomas Kite Sharpless) (галоўны праграміст)
• Артур Бёркс (англ.: Arthur Burks) (модуль множання)
• Гары Хаскі (англ.: Harry Huskey) (модуль чытання/вываду даных)
• Джэк Дэвіс (Jack Davis) (акумулятары)

У сярэдзіне ліпеня 1944 года Моклі і Экерт збудавалі два першыя «акумулятары» — модулі, якія выкарыстоўваліся для складання лікаў. Злучыўшы іх разам, яны перамножылі два лікі 5 і 1000 і атрымалі правільнае значэнне здабытку. Гэты вынік быў паказан кіраўніцтву Інстытута і Балістычнай Лабараторыі і даказаў усім скептыкам, што электронны камп’ютар сапраўды можна пабудаваць.

Камп’ютар быў гатоў цалкам толькі восенню 1945 года. З-за таго, што вайна на той час ужо была скончана, і асаблівай патрэбы ў хуткім вылічэнні табліц стральбы ўжо не было, ваеннае ведамства ЗША вырашыла скарыстаць ENIAC у вылічэннях па распрацоўцы тэрмаядзернай зброі.

З’яўляючыся звышсакрэтным праектам Арміі ЗША, камп’ютар быў паказан публіцы і прэсе толькі праз шмат месяцаў пасля сканчэння вайны — 14 лютага 1946 года. Праз некалькі месяцаў — у лістападзе 1946 года — ENIAC быў разабраны і перавезены з Універсітэта Пенсільваніі ў г. Абердзін у Лабараторыю балістычных даследаванняў Арміі ЗША, дзе з 29 ліпеня 1947 года ён паспяхова працаваў шмат гадоў і быў канчаткова выключаны 2 кастрычніка 1955 года ў 23:45.

У Балістычнай Лабараторыі на ENIAC выконваліся вылічэнні па праблеме тэрмаядзернай зброі, прагнозам надвор’я ў СССР для прадказання напрамку выпадання радыеактыўных ападкаў на выпадак атамнай вайны, інжынерныя разлікі, і канечне ж табліц стральбы, уключаючы табліцы стральбы ядзернымі боепрыпасамі.

Ужыванне

У якасці выпрабавання ЭНІАКу першай была пастаўлена задача па матэматычнаму мадэляванню тэрмаядзернага выбуху супер-бомбы па гіпотэзе Улама-Тэлера. Фон Нейман, які адначасова працаваў кансультантам і ў Лос-Аламаскай лабараторыі і ў Інстытуце Мура, прапанаваў групе Тэлера скарыстаць ЭНІАК для разлікаў яшчэ ў пачатку 1945 года. Рашэнне праблемы тэрмаядзернай зброі патрабавала такога велізарнага аб’ёму вылічэнняў, што справіцца з ім не маглі ніякія электрамеханічныя калькулятары, якія меліся ў наяўнасці Лабараторыі. У жніўні 1945 фізікі Лос-Аламаскай лабараторыі Нікалас Метропаліс і Стэнлі Фрэнкель наведалі інстытут Мура, і Герман Голдстайн разам са сваёй жонкай Адэль, якая працавала ў камандзе праграмістам і была аўтарам першага дапаможніка па рабоце з ЭНІАКам, пазнаёмілі іх з тэхнікай праграмавання ЭНІАКа. Пасля гэтага яны вярнуліся ў Лос-Аламас, дзе сталі працаваць над праграмай з назвай «The Los Alamos Problem».

Прадукцыйнасць ЭНІАКа была занадта малой для паўнавартаснай сімуляцыі, таму Метропаліс і Фрэнкель моцна спрасцілі ўраўненне, ігнаруючы шматлікія фізічныя эфекты і спрабуючы хоць бы прыблізна вылічыць толькі першую фазу выбуху дэйтэрый-трытыевай сумесі ў аднамернай прасторы. Дэталі і вынікі выкананых у лістападзе-снежні 1945 года вылічэнняў дагэтуль засакрэчаны. Перад ЭНІАКам была пастаўлена задача рашыць найскладанейшае дыферэнцыяльнае ўраўненне, для ўводу зыходных даных да якога спатрэбілася каля мільёна перфакартак. Уводная задача была разбіта на некалькі частак, каб даныя маглі змясціцца ў памяці камп’ютара. Прамежкавыя вынікі выводзіліся на перфакарткі і пасля перакамутацыі ізноў уводзіліся ў машыну. У красавіку 1946 года група Тэлера абмеркавала вынікі вылічэнняў і зрабіла выснову, што яны досыць абнадзейваючыя, хоць і вельмі прыблізна даказваюць магчымасць стварэння вадароднай бомбы.

На абмеркаванні вынікаў вылічэнняў прысутнічаў Станіслаў Улам. Уражаны хуткасцю работы ЭНІАКа ён прапанаваў зрабіць вылічэнні па тэрмаядзернаму выбуху метадам Монтэ-Карла. У 1947 годзе на ЭНІАКу было выканана 9 разлікаў гэтым метадам з рознымі зыходнымі параметрамі. Пасля гэтага метад Монтэ-Карла стаў ужывацца ва ўсіх вылічэннях, звязаных з распрацоўкай тэрмаядзернай зброі.

Брытанскі фізік Дуглас Хартры ў красавіку і ліпені 1946 года рашаў на ЭНІАКу праблему абцякання паветрам крыла самалёта, які рухаецца хутчэй за гук. ЭНІАК выдаў яму вынікі разлікаў з дакладнасцю да сёмага знака. Аб гэтым досведзе работы Хартры напісаў у артыкуле ў вераснёвым выпуску часопіса Nature за 1946 год.

У 1949 годзе фон Нейман скарыстаў ЭНІАК для вылічэння ліку Пі і е з дакладнасцю да 2000 знакаў пасля коскі. Фон Неймана цікавіла статыстычнае размеркаванне лічбаў у гэтых ліках. Меркавалася, што лічбы ў гэтых ліках з’яўляюцца з роўнай імавернасцю, а значыць камп’ютары могуць генераваць сапраўды выпадковыя лікі, якія можна ўжываць як уводныя параметры для вылічэнняў метадам Монтэ-Карла. Вылічэнні для ліку е былі выкананы ў ліпені 1949 года, а для ліку Пі — за адзін дзень на пачатку верасня. Вынікі паказалі, што «лічбы ў ліку Пі ідуць у выпадковым парадку, а вось з лікам e сітуацыя выглядала значна горш».

Першы паспяховы лічбавы прагноз надвор'я быў створан 5 сакавіка 1950 года камандай амерыканскіх метэаролагаў — Жулем Чарні, Філіпам Томсанам, Лары Гейтсам, нарвежцам Рагнарам Фьюртофтам і матэматыкам Джонам фон Нейманам з выкарыстаннем ENIAC. Яны карысталіся спрошчанымі мадэлямі атмасферных струменяў на аснове баратропнага ўраўнення віхру хуткасці. Гэта спрашчэнне зменшыла вылічальную складанасць задачы і дазволіла правесці разлікі з дапамогай даступных у той час вылічальных магутнасцей. Апісанне разлікаў і аналіз вынікаў былі прэзентаваны ў працы «Numerical Integration of Barotropic Vorticity Equation», апублікаванай 1 лістапада 1950 года ў часопісе Tellus. У артыкуле згадваецца, што прагноз надвор’я на наступныя 24 гадзіны на ЭНІАКу быў выканан за 24 гадзіны, гэта значыць прагноз ледзь паспяваў за рэчаіснасцю. Большая частка часу трацілася на раздрукоўку перфакартак і іх упарадкаванне. Пры належнай аптымізацыі работы ЭНІАКа, адзначалася ў працы, вылічэнні можна было б выканаць за 12 гадзін, а пры выкарыстанні больш дасканалых машын — за 30 хвілін. Для прагнозу выкарыстоўваліся карты надвор’я над тэрыторыяй ЗША і Канады за 5, 30, 31 студзеня і 13 лютага 1949 года. Пасля разлікаў прагнозныя карты параўноўваліся з рэальнымі для ацэнкі якасці прагнозу.

Характарыстыкі, архітэктура і праграмаванне

На стварэнне ENIAC зрасходавана 200.000 чалавека-гадзін і 486.804,22 долара ЗША. Усяго комплекс уключаў 17468 лямп 16 розных тыпаў, 7200 крэмніевых дыёдаў, 1500 рэле, 70000 рэзістараў і 10000 кандэнсатараў.

• Вага — 27 тон
• Аб’ём памяці: 20 лічба-слоў
• Спажываная магутнасць — 174 кВт
• Вылічальная магутнасць — 357 аперацый множання ці 5000 аперацый складання ў секунду
• Тактавая частата — 100 kHz, гэта значыць адзін імпульс кожныя 10 мікрасекунд. Асноўны вылічальны такт складаўся з 20 імпульсаў і займаў 200 мікрасекунд. Складанне выконвалася за 1 такт, множанне — за 14 тактаў. Множанне замянялася шматкратным складаннем, так што 1 множанне раўнялася 14 аперацыям складання і выконвалася адпаведна за 2.800 мікрасекунд
• Прылада ўводу-вываду даных: табулятар перфакартак кампаніі IBM — 125 картак за хвіліну на ўвод, 100 картак за хвіліну на вывад

Вылічэнні праводзіліся ў дзесятковай сістэме, пасля ўдумлівага аналізу перавагу аддалі ёй, а не двайковай сістэме. Камп’ютар выконваў дзеянні з лікамі максімальнай даўжынёй у 20 разрадаў .

Многія спецыялісты Інстытута скептычна прадказвалі, што пры такой колькасці лямп у сістэме камп’ютар проста не зможа працаваць достаткова працяглы час, каб выдаць годны вынік — замнога пунктаў магчымых паломак. Паломка адной лямпы, аднаго кандэнсатара, ці рэзістара, азначала спыненне работы ўсёй машыны, і па тэорыі імавернасці існавала 1.8 мільярдаў шанцаў паломак у кожную секунду. Каб вакуумныя лямпы радзей перагаралі, Экерт прыдумаў падаваць на іх мінімальнае напружанне, а пасля правядзення вылічэнняў ЭНІАК працягваў працаваць, падтрымліваючы лямпы ў «цёплым» стане, каб перапад тэмпературы пры астуджэнні і напальванні не прыводзіў да іх перагарання. Так інжынеры дабіліся таго, каб ЭНІАК працаваў мінімум 20 гадзін паміж паломкамі. Не так многа па цяперашнім меркам, але за кожныя 20 гадзін працы ЭНІАК выконваў месячны аб’ём работы механічных вылічальнікаў.

Да 1948 года для перапраграмавання ENIAC патрэбна было перакамутаваць яго занава, у той час як Z3 умеў счытваць праграмы з перфараванай стужкі. Праграмаванне задачы на ЭНІАКу магло займаць да двух дзён, а яе рашэнне — некалькі хвілін. Пры перакамутаванні ЭНІАК ператвараўся як бы ў новы спецыялізаваны камп’ютар для рашэння спецыфічнай задачы. Яшчэ на этапе канструявання ЭНІАКа Экерт і Моклі разумелі недахопы свайго стварэння, але на этапе праектавання яны не лічыліся крытычнымі, бо камп’ютар першапачаткова прызначаўся для выканання аднатыпных балістычных вылічэнняў.

У студзені 1944 года, Экерт зрабіў першы накід другога камп’ютара з больш дасканалай архітэктурай, у якой праграма захоўвалася ў памяці камп’ютара, а не фарміравалася з дапамогай камутатараў і перастаноўкай блокаў, як у ЭНІАКу. Летам 1944 года ваенны куратар праекта Герман Голдстайн выпадкова пазнаёміўся са знакамітым матэматыкам фон Нейманам і прыцягнуў яго да работы над машынай. Фон Нейман зрабіў свой уклад у праект з пункту гледжання строгай тэорыі. Так быў створан тэарэтычны і інжынерны фундамент для наступнай мадэлі камп’ютара з назвай EDVAC з захаваннем праграмы ў памяці. Кантракт з Арміяй ЗША на стварэнне гэтай машыны быў падпісан у красавіку 1946 года.

Навуковая праца фон Неймана «Першы праект справаздачы аб EDVAC», апублікаваная 30 чэрвеня 1945 года, падштурхнула да стварэння вылічальных машын у ЗША (EDVAC, BINAC, UNIVAC I) і ў Англіі (EDSAC). З-за велізарнага навуковага аўтарытэту ідэя аб камп’ютары з праграмай, якая захоўваецца ў памяці, прыпісваецца фон Нейману («архітэктура фон Неймана»), хоць прыярытэт насамрэч належыць Экерту, які прапанаваў выкарыстоўваць памяць на ртутных акустычных лініях затрымкі. Фон Нейман далучыўся да праекта пазней і проста надаў інжынерным рашэнням Моклі і Экерта навукова-акадэмічны сэнс.

У ліпені 1953 года да ЭНІАКа далучылі модуль памяці на магнітных сардэчніках, які павялічыў аб’ём аператыўнай памяці камп’ютара з 20 да 120 лічба-слоў.

Уплыў

ЭНІАК нельга было назваць дасканалым камп’ютарам. Машына стваралася ў ваенны час у вялікай спешцы з нуля пры адсутнасці якога-небудзь папярэдняга досведу стварэння падобных прылад. ЭНІАК быў пабудован у адзіным экзэмпляры, і інжынерныя рашэнні, рэалізаваныя ў ЭНІАКу, не выкарыстоўваліся ў наступных канструкцыях камп’ютараў. ЭНІАК камп’ютар, хутчэй, не першага, а «нулявога» пакалення. Значэнне ЭНІАКа заключаецца проста ў яго існаванні, якое даказала магчымасць пабудовы цалкам электроннага камп’ютара, здольнага працаваць достаткова доўга, каб апраўдаць выдаткі на яго пабудову і прынесці адчувальныя вынікі.

У сакавіку 1946 года Экерт і Моклі з-за спрэчак з Пенсільванскім універсітэтам аб патэнтах на ЭНІАК і на EDVAC, над якім яны ў той час працавалі, вырашылі пакінуць Інстытут Мура і пачаць сваю справу ў галіне пабудовы камп’ютараў. У якасці «развітальнага падарунка» і па просьбе Арміі ЗША яны прачыталі ў інстытуце серыю лекцый аб канструяванні камп’ютараў пад агульнай назвай «Тэорыя і метады распрацоўкі электронных лічбавых камп’ютараў», апіраючыся на свой досвед пабудовы ENIAC і праектавання EDVAC. Гэтыя лекцыі ўвайшлі ў гісторыю як «Лекцыі Інстытута Мура». Лекцыі — па сутнасці першыя ў гісторыі чалавецтва камп’ютарныя курсы — чыталіся летам 1946 года з 8 ліпеня па 31 жніўня толькі для вузкага кола спецыялістаў ЗША і Вялікабрытаніі, якія працавалі над той жа праблемай у розных урадавых ведамствах і навуковых інстытутах, усяго 28 чалавек. Лекцыі з’явіліся адпраўным пунктам для стварэння ў 40-х і 50-х гадах паспяховых вылічальных сістэм CALDIC, SEAC, SWAC, ILLIAC, машына Інстытута перспектыўных даследаванняў і камп’ютар Whirlwind, які выкарыстоўваўся ВПС ЗША ў першай у свеце камп’ютарнай сістэме СПА SAGE.

Памяць аб камп’ютары

• Некаторыя дэталі камп’ютара ENIAC выстаўлены ў Нацыянальным Музеі Амерыканскай гісторыі ў Вашынгтоне.
• У гонар камп’ютара названы астэроід (229777) ENIAC.
• У 1995 годзе быў створан мініяцюрны крамянёвы чып ENIAC-on-A-Chip памерам 7.44 мм х 5.29 мм, на якім з дапамогай 250 000 (в другіх крыніцах 174 569) транзістараў была рэалізавана логіка, аналагічная 30-тоннаму ЭНІАКу. Чып працаваў на частаце 20Мгц, гэта значыць, значна хутчэй, чым ЭНІАК.

Гл. таксама

• EDSAC — брытанскі камп’ютар, першая рэалізацыя «архітэктуры фон Неймана» (1948)
• EDVAC — наступны камп’ютар Інстытута Мура, створаны для Арміі ЗША на прынцыпах «архітэктуры фон Неймана» (1949)

Літаратура

• Herman H. Goldstine. The Computer from Pascal to von Neumann. — Princeton University Press, 1980. — 365 p. — ISBN 9780691023670. (англ.)
• William Aspray. John von Neumann and the Origins of Modern Computing. — MIT Press, 1990. — 394 p. — ISBN 0262011212. (англ.)
• Scott McCartney. ENIAC: The Triumphs and Tragedies of the World's First Computer. — Berkley Books, 2001. — 262 p. — ISBN 9780425176443. (англ.)
• Raúl Rojas, Ulf Hashagen. The First Computers: History and Architectures. — MIT Press, 2002. — 471 p. — ISBN 9780262681377. (англ.)
• Kristine C. Harper. Weather by the Numbers: The Genesis of Modern Meteorology. — MIT Press, 2008. — 320 p. — ISBN 9780262083782. (англ.)