Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Ламповые динозавры первого поколения

Тысячи радиоламп, сотни квадратных метров площади и киловатт электроэнергии — такими были первые настоящие компьютеры

  
Внутри американского компьютера ENIAC было 18 000 радиоламп. На поиск сгоревших у технического персонала уходила большая часть рабочего времени. Фото: US Army

Если брать в расчет формальный признак — элементную базу, то первой ЭВМ на электронных лампах была секретная британская машина «Колосс» (Colossus computer), которую в 1943 году методом интеллектуально-трудового героизма, присущего военному периоду, сделали для дешифровки перехваченных германских радиограмм. Однако вряд ли эту машину можно отнести к ЭВМ в классическом смысле этого термина. «Колосс», хоть и обладал изумительным по тем временам быстродействием, мог решать лишь очень ограниченный и чрезвычайно специфический класс задач.

Американские пожиратели электричества

В США первая ламповая ЭВМ появилась в 1946 году. Ее разработка началась в 1943 году в Пенсильванском университете (University of Pennsylvania), получившем заказ от Баллистической исследовательской лаборатории министерства обороны США (US Army Ballistic Research Lab). Группой разработчиков, в которую входили десять инженеров и двести техников, руководили профессор Джон Моучли (John Mauchly, 1907–1980) и молодой выпускник университета Джон Преспер Эккерт (John Presper Eckert, 1919–1995). Машина, которая получила название ENIAC — Electronical Numerical Integrator and Calculator (Электронно-цифровой интегратор и вычислитель), состояла из восемнадцати тысяч ламп и полутора тысяч реле. Этот монстр занимал помещение площадью 120 кв.м, имел объем 720 куб.м, весил 30 т и потреблял 150 кВт электроэнергии.

Несмотря на то, что в ENIAC была мизерная память (20 триггерных регистров), за счет изощренной арифметики (аппаратное умножение, деление и извлечение) ЭВМ работала существенно быстрее релейных машин. В секунду производилось пять тысяч сложений и триста умножений. Данные поступали на обработку с перфокарт и выводились на карточный перфоратор. Поскольку тысячи электронных ламп выделяли громадную тепловую энергию, в машине использовалась мощная система охлаждения. Но и это не спасало от постоянного перегорания ламп. При отсутствии эффективных диагностических средств техникам приходилось беспрерывно и подолгу отыскивать отказавшие элементы.

  
Терминал первого в мире коммерческого компьютера UNIVAC. Сравните со своими монитором и клавиатурой, и убедитесь, насколько проще стало жить пользователям компьютера! Фото: Lawrence Livermore National Laboratory

ENIAC имела и еще одну неприятную особенность, которая не позволяет отнести эту машину к ЭВМ первого поколения. Ее программа не хранилась в оперативной памяти, а жестко задавалась при помощи шести тысяч перемычек на сорока коммутационных панелях. На каждое перепрограммирование ENIAC уходило не менее двух дней.

Следующей разработкой Моучли и Эккерта, которую они выполнили для компании Sperry Rand, стал знаменитый UNIVAC I (Universal Automatic Computer). Это была первая коммерческая ЭВМ, запущенная в серию в 1951 году. Первым ее заказчиком, выложившим $1,6 млн, стало статистическое агентство, которое использовало UNIVAC для переписи населения страны. Данная разработка была значительно успешнее предыдущей в техническом отношении: при меньшем в три раза числе ламп она имела в два раза большее быстродействие. Поскольку требовалось обрабатывать громадные объемы информации, машину укомплектовали внешним накопителем на магнитной ленте объемом 12 Мбайт. Sperry Rand выпустила более пятидесяти машин этой серии, последняя из них проработала до 1965 года.

Несмотря на то, что UNIVAC, в отличие от ENIAC, уже хранил программу в оперативной памяти, и он не является первой ЭВМ первого поколения. Тут американцев обошли англичане. Причем, сами же американцы этому и способствовали.

Английский энтузиаст

История создания этого самого первенца выглядит, можно сказать, невероятно. Потому что его разработкой совершенно случайно занялся человек, не имевший отношения к компьютерам. Астрофизик Морис Винсент Уилкс (Maurice Vincent Wilkes, р. 1913) занимался в Кембридже проблемой распространения радиоволн в ионосфере. Работа требовала большого объема вычислений, и он был вынужден производить их на допотопном арифмометре. Однажды, было это в 1946 году, знакомый ученый дал Уилксу на ночь ксерокопию 100-страничной статьи венгерского математика Джона фон Неймана (John von Neumann, 1903–1957), уже перебравшегося к тому времени в Принстон, в которой тот теоретически описывал некую ЭВМ EDVAC и постулировал оптимальный способ управления процессом вычисления при помощи программы, хранимой в памяти вместе с данными.

  
Группа разработчиков британского компьютера EDSAC. Фото (Creative Commons licence): Copyright Computer Laboratory, University of Cambridge. Reproduced by permission

Утром Уилкс дал себе слово, что сделает такую машину. Вскоре он отправился в Пенсильванский университет и прослушал курс лекций Моучли и Эккерта, которые тогда только что завершили разработку ENIAC. Впоследствии он вспоминал об этом вояже так: «Я возвращался с убежденностью, что знаю о вычислительных машинах всё, что следует знать… и начал набрасывать эскиз будущей машины на борту «Куин Мэри» по пути домой. Мне хотелось, чтобы она была простой и удобной для пользователей; это должна была быть машина последовательного действия, скромная по размерам и в основе своей повторяющая EDVAC».

Вернувшись, Уилкс сколотил команду единомышленников из ученых-электронщиков и начал собирать классическую машину. С логическими схемами было все ясно — они собираются на электронных лампах. С оперативной памятью оказалось сложнее. Для хранения в ней не только данных, но и программы требовался значительный ее объем. При построении памяти на лампах резко возрастали габариты машины и снижалась надежность. И тогда было решено создать ее на ртутных ультразвуковых линиях задержки, которые были разработаны астрофизиком и специалистом по радарам Томасом Голдом (Thomas Gold, 1920–2004). Принцип действия такой памяти заключается в том, что информация (единички и нолики) непрерывно циркулирует по замкнутому циклу, и в квантованные моменты считывается, перезаписывается либо регенерируется.

Работа продолжалась два с половиной года в выделенной ректоратом для этой цели бывшей препараторской анатомической школы Кембриджского университета. Летом люди задыхались от испарений въевшегося в пол формалина, но работу не прекращали. И весной 1949 года машина, получившая название EDSAC, была готова. Она стала первой в мире действующей и практически используемой ЭВМ с хранимой программой.

Ее параметры были таковы. Тактовая частота — 500 кГц. Объем ОП — 512 36-разрядных машинных слов. Командный набор состоял из 18 одноадресных команд. Время сложения — 1,4 мс, а умножения — 5,4 мс. Ввод данных и программ осуществлялся с 5-канальной бумажной перфоленты, результаты вычислений печатались принтером телетайпа. Машина содержала около 3000 ламп, потребляла 12 кВт и занимала комнату площадью 20 кв. м.

  
Морис Уилкс и блок оперативной памяти компьютера EDSAC. Фото (Creative Commons licence): Copyright Computer Laboratory, University of Cambridge. Reproduced by permission

Затем Уилкс, на личном опыте убедившись в трудоемкости программирования в машинных кодах, начал оптимизировать этот процесс. С группой единомышленников он разработал первый в мире Ассемблер, а также проработал механизм комфортного использования подпрограмм, собранных в библиотеку. В конце концов Уилкс, Уиллер и Гилл издали первый в мире учебник по программированию, который был переведен на многие языки мира, включая и русский.

В 1957 году Уилкс выпустил следующую модель ЭВМ — EDSAC II, которая использовала предложенный кембриджским уникумом эффективный принцип микропрограммирования. Это стало возможно благодаря тому, что в мире к тому времени появилась ферритовая память существенно больших объемов, чем память на линиях задержки. Суть принципа такова. Машинные команды управляют обработкой данных в процессоре и осуществлением процедур ввода-вывода информации. До Уилкса «сценарии» отработки команд задавались жестко, при помощи паяных электрических схем. Микропрограммы же, хранящиеся в постоянной памяти (ПЗУ) представляют собой «сценарий» работы каждой машинной команды.

Еще одна уникальная британская ЭВМ — Ferranti Mark I — была разработана в 1951 году в Манчестерском университете очень сильной командой, в которую вошли Томас Килбёрн (Thomas Kilburn, 1921–2001), Фредерик Кэлланд Уильямс (Frederick Calland Williams, 1911–1977), Макс Герман Александр Ньюмен (Max Herman Alexander Newman, 1897–1984), Алан Тьюринг (Alan Turing, 1912–1954). В ней в качестве оперативной памяти было применено изобретенное Уильямсом запоминающее устройство на электронно-лучевой трубке, получившее название «трубка Уильямса».

В качестве запоминающей среды в ней используется покрытый люминофором экран, который электронный пучок при сканировании «долбит» единичками и нулями. Люминофор сохраняет свечение каждой заряженной точки на какой-то промежуток времени. Для того чтобы информация не «угасала», ее необходимо регенерировать через 30 мс. Электронный пучок сканирует экран, производя запись изменяемой информации и постоянно регенерируя неизменяемую. Считывание информации осуществляется при помощи электродов, расположенных с внешней стороны экрана. Данное изобретение позволило при значительной плотности хранения информации (до 2 килобит на 6-дюймовой ЭЛТ) резко сократить время выборки, которое стало равно 30 микросекундам.

Самой «продвинутой» ламповой машиной в аппаратном отношении стал WhirlWind-1 (Вихрь-1), разработанный в 1953 году в Массачусетском технологическом институте при участии Джона фон Неймана. В «Вихре» впервые была использована оперативная память на ферритовых сердечниках. Такая память не только пережила машины первого поколения, но и использовалась во всех машинах второго, транзисторного, поколения. Для ввода и вывода информации использовались клавиатура и дисплей на ЭЛТ, что стало также прорывом в будущее. И быстродействие у машины было отменным.

  
Компьютерная память на ферритовых сердечниках пережила первое поколение ЭВМ.  Фото (Creative Commons licence): Steve Jurvetson

Самой быстрой серийной ЭВМ была IBM701, выпущенная в 1953 году. «Вихрю» она уступала в скорости в два раза. Однако корпорация, вскоре ставшая компьютерным монстром, смогла продать лишь 9 экземпляров IBM701. Затем появилась 704-я модель с ферритовой памятью объемом 8192 слов по 36 бит, оснащенная алгоритмическим языком высокого уровня Фортран. И фирма по производству табуляторов стала господствовать на компьютерном рынке. Последней ламповой машиной IBM стал суперкомпьютер Stretch, который в 1955 году установили в ядерной лаборатории Лос-Аламоса (Los Alamos National Laboratory). Самой же быстрой серийной машиной мира принято считать айбиэмовский NORC, предназначенный для баллистических расчетов и делающий 20 тыс. операций в секунду.

Советский симметричный ответ

Советский Союз начал разрабатывать первую ламповую машину в 1948 году. Происходило это в Киеве, в Институте электроники Академии наук Украины под руководством будущего академика Сергея Алексеевича Лебедева (1902–1974). Машина, получившая название МЭСМ (Малая электронная счетная машина), была сдана в эксплуатацию в декабре 1951 года.

Объем триггерной памяти МЭСМ составлял 94 20-разрядных слов. Система команд — трехадресная. Представление данных — с фиксированной запятой. Быстродействие — 3000 трехадресных операций в секунду. Машина состояла из 5 тыс. ламп, занимала площадь в 60 кв.м. и потребляла 25 кВт. Ввод данных — с перфокарт и коммутационной панели. Вывод результатов — на печатающее устройство. Был и еще один способ съема информации, нигде и никогда более в мире не применявшийся, — при помощи фотографирования!

Вскоре Лебедева перевели в Москву, в Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ), где он начал разрабатывать БЭСМ (Быстродействующую ЭСМ). Параллельно с этим в московском СКБ-245 (впоследствии НИИ электронного машиностроения, а затем НИИ «Аргон») под руководством Юрия Яковлевича Базилевского (1912–1983) начали создавать ЭВМ «Стрела». «Стрела» и БЭСМ были одновременно, в 1953 году, представлены на госкомиссию. Несмотря на то, что разработка Лебедева была перспективнее (что впоследствии подтвердила история), «Стрела» была запущена в серию, и ее разработчики получили сталинскую премию.

А БЭСМ, существовавшую в единичном экземпляре, направили в Вычислительный центр Академии наук. Через год Лебедев довел производительность машины до 10 тыс. операций в секунду, в связи с чем БЭСМ стала самой мощной машиной в Европе. Она имела очевидные преимущества перед выигравшей у нее тендерное сражение «Стрелой». Память на ферритах против памяти на электронно-лучевых трубках. Большая производительность. Меньшее число использованных электронных ламп, что приводило к большей надежности. И, наконец, наличие системы тестов, позволявших сократить время устранения неполадок.

  
ЭВМ БЭСМ-2 имела около 4 000 электронных ламп, и была собрана на трех основных стойках. Кроме того, имелись: стойка магнитного оперативного запоминающего устройства и пульт управления. Фото с сайта Музей истории отечественных компьютеров, составитель С.Тархов

Совминовские бюрократы в конце концов поняли, что поставили не на ту лошадь. И вскоре было решено доверить разработку следующей быстродействующей машины М-20 фирме Лебедева. И при этом СКБ-245 вменили в обязанность подсобные задачи — оформлять лебедевскую документацию и отлаживать опытный образец М-20. В 1958 году машину запустили в серию с формулировкой «самая быстродействующая ЭВМ в мире». Заявление хоть и спорное, но не столь уж и далекое от истины. М-20 делала в секунду 20 тыс. операций, как и IBM NORC. Но при этом наша машина имела ферритовую оперативную память вдвое меньшую, чем американская, — 4096 слов. Однако за счет оригинальных структурных решений разработчикам М-20 удалось организовать обмен информации с медленным внешним запоминающим устройством, магнитным барабаном, таким образом, что барабан играл роль виртуальной оперативной памяти, не тормозившей процесс вычисления. К еще одному неоспоримому достоинству отечественной машины следует отнести то, что в ней использовалось впятеро меньше электронных ламп.

Судьба догоняющего находится в руках тех, кого догоняют. Стоило нам воспроизвести «вражескую» ЭВМ и даже превзойти её, как американская промышленность сделала качественный рывок вперед — появились схемы на полупроводниках. Пока правительство Советского Союза вкладывало средства в совершенствование ламповых компьютеров, в США их уже считали морально устаревшими и готовили им замену. В условиях быстрой смены поколений компьютеров принцип сталинских времен «не надо лучше, сделайте точно такую же, только лучше!» приводил к великолепному воплощению зарубежной техники, для которой на Западе уже отводили место в музее.

 

 

В анонсе статьи исползовано фотография (Creative Commons license) Martin Pittenauer

Владимир Тучков, 25.04.2007

 

Новости партнёров