книги из ГПНТБ / Апокин, И. А. Развитие вычислительных машин

встроенная схема обнаружения ошибок : если не срабатывало тре­ буемое реле, машина останавливалась.

В 1944 г. Стпбиц приступил к разработке мощной универсаль­ ной ЦВМ с программным управлением (машина «Белл-Ѵ»), вы­ полненной на электромагнитных реле. Эта машина, изготовленная

в двух экземплярах, была закончена в 1947 г., т. е. уже после со­

здания первой ЭВМ ЭНИАК. Машина «Белл-Ѵ» содержала более

т

числительная лаборатория Гарвардского университета закончила

C помощью программно-управляемых релейных машин, раз­

работанных в 40-х годах, можно было выполнять широкий круг

математических операций: составление математических таблиц,

дифференцирование любого порядка, интерполирование с учетом разностей первого, второго и высшего порядков, численное ин­

тегрирование, гармонический анализ, суммирование и умножение

рядов, вычисления по методу наименьших квадратов, вычисления

методом последовательных приближений, подбор эксперименталь­

ных формул п т. д.

170

Однако скорость выполнения операций была сравнительно

низкой. Так, машина «Белл-Ѵ» производила арифметические дей­ ствия над 7-разряднымп десятичными числами со следующими скоростями: сложение и вычитание — 0,3 сек, умножение — 1 сек,

деление — 2,2 сек., извлечение квадратного корпя — 4,3 сек.

Машина MAPK-II при работе с !(!-разрядными десятичными

числами выполняла операцию сложения за 0,2 сек, а умноже­ ние — за 0,7 сек.

ЦВМ с таким порядком быстродействия не могли стать ос­ новой для революционных изменений в областях техники, разви­ тие которых существенным образом зависит от объема вычисле­ ний, выполняемых при конструировании и функционировании со­ ответствующих систем (атомная техника, космическая техника,

реактивная авиация и т. д.). Повышение скорости работы ЦВМ

могло произойти только в результате качественного технологи­

ческого скачка, созданного применением электронных элементов. Соответствующие условия для этого были подготовлены всем

предшествующим развитием электроники. Поэтому практически

одновременно с началом работ над проектами автоматических ре­

лейных ЦВМ возникают идеи использовать электроппые схемы

вместо электромеханических.

Интересный вопрос, который возникает в этой связи, заключа­

ется в следующем: сознавали ли Цузе, Айкен и другие конструк­

торы первых автоматических ЦВМ принципиальные преимуще­

ства электронных схем и почему они стремились решить новую

проблему (создание автоматических ЦВМ) старыми методами —

на основе механических и релейно-контактных элементов? Одно­

значный ответ на данный вопрос дает Н. Винер, хорошо знако­

мый с обстоятельствами развития вычислительной техники в

США: «Меня очень удивило, что Айкеи в качестве основных эле­ ментов своей машины выбрал сравнительно медленно действую­

щие механические реле, не придав особого значения громадному

увеличению скорости вычислений, которого можно было бы до­

стигнуть, используя электронные реле. Порочность этой точки

зрения в настоящее время очевидна, в частности, благодаря са­

мому Айкену, ставшему одним из наиболее энергичных и ориги­

нальных изобретателей и конструкторов электронных вычисли­

тельных машин2. Но тогда у него была какая-то странная причу­ да, заставлявшая его считать работу с механическими реле нрав­

ственной и разумной, а использование электронных реле — делом,

никому не нужным и морально нечистоплотным. В этой связи

мне хочется напомнить об одном чрезвычайно опасном свойстве,

которым часто отличаются наиболее талантливые и целеустрем­ ленные изобретатели. Люди такого склада обычно стремятся на­

веки законсервировать технические приемы своей области на том

2 Заметим, что Цузе в 50-х годах также перешел к конструированию элект­ ронных ЦВМ и, в частности, разработал первую в ФРГ серийную универ­ сальную ЦВМ па электронных лампах (модель Ц-22Р, 1958 г.).

171

уровне, которого они сами достигли, и проявляют чудеса мораль­ ной и интеллектуальной изворотливости, сопротивляясь, а иной раз даже воздвигая непреодолимые препятствия па пути новых работ, основанных иа новых оригинальных принципах» [11,

стр. 254—255]. Действительно, с точки зрения преодоления тех­ нических трудностей такая машина, как MAPK-I, была выдаю­ щимся достижением. Не менее сложные проблемы были решены

Цузе в его моделях Ц-3 и Ц-4. Единственно, чего не удалось пре­

одолеть Цузе, Айкену и другим ученым, это — традиционного скла­

да мышления, на формирование которого наложил отпечаток мно­ голетний опыт их предшественников.

2. Первые проекты электронных ЦВМ

Проект Атанасова

Одна пз первых попыток использовать электронпые элементы в ЦВМ была предпринята в США в 1939—1941 гг. в колледже

штата Айова (в настоящее время университет штата Айова). Эта

работа была прервана войной, и результаты ее нигде не публи­

ковались, если не считать двух репортерских заметок в газете

«Де Мойн Трибюн» 3. Из-за отсутствия публикаций эта работа осталась неизвестной для большинства специалистов в области

вычислительной техники. В то же время она сыграла определен­ ную роль в истории развития ЦВМ. Конструктор первой элек­ тронной ЦВМ ЭНИАК Дж. Маучли в 1941 г. посетил колледж Айовы с целью ознакомления с результатами работ по реализа­

ции проекта Атанасова.

Р. Ричардс, учившийся в то время в колледже Айовы, дает

краткое описание машины в книге [12]. По конструкции машина

являлась специализированной расчетной ЦВМ, предназначенной

для решения систем алгебраических уравнений с 30 не­

известными. Исходные данные вводились на стандартных перфо-

3 Одна пз заметок, напечатанная 15 января 1941 г., представляет пнтерес как первое опубликованное сообщение о конструировании электронной ЦВМ. Заметка содержала фотографию электронного блока с надписью «Гигантская вычислительная машина, которая строится в колледже штата Айова, имеет «память» на 45 электронных лампах. Изобретатель — доктор Джои В. Атанасов» п текст следующего содержания: «Д-р Джон Атанасов, профессор физики колледжа Айовы, строит электрическую вычислитель­ ную машину, которая по принципу своей работы ближе человеческому мозгу, чем любая другая машина. По словам д-ра Атанасова, машина бу­ дет содержать более 300 вакуумных ламп и будет использована для реше­ ния сложных алгебраических уравнений. Для ее размещения потребуется примерно столько же площади, сколько для большого канцелярского сто­ ла. Машина целиком выполнена на электрических деталях и будет исполь­ зована в научных исследованиях. Д-р Атанасов работает над машиной уже несколько лет и закончит работу примерно через год».

Следует отметить, что на фото в действительности был изображен не блок памяти, а часть устройства управления (на 45 электронных лампах).

172

картах фирмы «ИБМ» в десятичной форме. Затем осуществлялось

преобразование из десятичного кода в двоичный (каждое число состояло из 50 двоичных разрядов, и все вычисления выполня­ лись в двоичном коде). Для запоминания информации использо­

вались конденсаторы (значение двоичной единицы определялось

знаком заряда конденсатора). Запоминающее устройство пред­

ставляло собой барабан, на котором было размещено 1632 кон­

денсатора (по 51 элементу на каждой из 32 дорожек) и смонти­

рована матрица медных контактов для соединения запоминающе­

го устройства со схемной частью машины. Промежуточные резуль­ таты записывались на перфокарты, для чего разрабатывалось

специальное устройство для перфорации и считывания карт.

К моменту вступления США в войну (7 декабря 1941 г.) были

закончены все основные блоки машины, за исключением специа­ лизированного устройства на перфокартах. В 1942 г. работы были

прекращены, а несколько лет спустя машина была разобрана.

Единственный блок, сохранившийся до настоящего времени (запо­ минающее устройство па конденсаторах), хранится в университете штата Айова.

Небезынтересно отметить, что в 1973 г. приоритет Атанасова, как автора первого проекта электронной ЦВМ, был подтвержден

в США решением федерального окружного суда. Суд объявил не­ действительным патент Маучли и Эккерта на автоматическую электронную ЦВМ, мотивируя это тем, что данная концепция

заимствована из проекта Атанасова.

Машина ЭНИАК

Проект электронной ЦВМ ЭНИАК был предложен в 1942 г. Дж. Маучли. Проблема механизации вычислений заинтересовала

Маучли в начале 30-х годов. В 1932 г. он получил докторскую

степень за исследования по физике и в течение ряда лет препо­

давал физику в нескольких колледжах. В 30-х годах Маучли раз­

работал аналоговое вычислительное устройство (анализатор гар­ моник) и небольшую специализированную ЦВМ. К началу 40-х

годов он пришел к выводу о необходимости использования в вы­

числительных устройствах электронных ламп. В 1941 г. он по­ ступил на работу в Электротехническую школу Mypa при Пен­

сильванском университете, а в августе 1942 г. представил проект ЭНИАК. Около года проект лежал без движения, пока им не за­ интересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория

Армии США. Лаборатории было поручено составить баллистиче­ ские таблицы для различных видов оружия. Быстродействие ма­

шины, предложенной Маучли, наилучшим образом отвечало зада­ чам лаборатории. В 1943 г. было принято решение о развертыва­

нии значительных по масштабу работ по реализации проекта. Для работ (по контракту на сумму 400 тыс. долл., заключенному Ар-

173

иней США с Пенсильванским университетом) было привлечено

около двухсот человек4 [8]. Работой руководили Маучли и

д-р Дж. Эккерт. Наряду с Маучли и Эккертом значительный вклад

в реализацию проекта внесли Г. Голдстайн, Дж. Брайнерд5, а также около 30 инженеров и математиков, участвовавших в ра­ боте. В конце '1945 г. работы были завершены. В феврале 1946 г.

состоялась первая публичная демонстрация машины, а в 1947 г.

она была переведена в Абердин, где размещалась Баллистическая

исследовательская лаборатория. В Абердине ЭНИАК использова­ лась в качестве универсальной ЦВМ расчетного типа. Примером

наиболее сложной задачи, которую решала машина, является ре­

шение системы из пяти гиперболических дифференциальных урав­ нений в частных производных, описывающих поток вокруг тела

вращения. Для каждого конкретного случая (т. е. для заданного

числа Маха и заданных значений ряда параметров, определяю­

щих вид тела вращения) решение этой задачи требовало около

1 часа машинного времени. Впоследствии машина ЭНИАК была

демонтирована; ее отдельные блоки переданы в музеи США.

Роль ЭНИАК в развитии вычислительной техники определя­

ется прежде всего тем, что это была первая действующая маши­ на, в которой для выполнения арифметических и логических опе­

раций, а также для запоминания информации использовались

электронные схемы. Несмотря на недостатки конструкции маши­

ны, применение электронных ламп позволило достичь скоростей,

о которых нельзя было и мечтать при использовании механиче­ ских или электромеханических элементов. Сравнение быстродей­

ствия ЭНИАК и других автоматических ЦВМ (табл. 1) показы­ вает, что применение новой электровакуумной технологии позво­

лило выполнять операции приблизительно в 1000 раз быстрее.

Последствия столь феноменального достижения практически не­

исчислимы. В конечном итоге они привели к тому, что вычисли­

тельная техника из второстепенной отрасли производства пре­ вратилась в один из наиболее мощных и универсальных рычагов

научно-технического прогресса, созданных человечеством за всю

его историю.

В машине ЭНИАК были использовапы три типа электронных

схем.

1. Схемы совпадения, т. е. схемы, сигнал на выходе которых

появляется только в том случае, если поступает сигнал на все

4 Небезынтересно отметить различные судьбы проектов Атанасова и Мауч­ ли, обусловленные различной финансовой поддержкой. Проект Атанасова финансировался экспериментальной сельскохозяйственной станцией кол­ леджа Айовы (предполагавшей использовать машину для решения сель­ скохозяйственных задач), а проект Маучли—Армией США. В условиях войны первый проект был оставлен, а второму уделялось первостепенное внимание, причем рабвты были засекречены.

5Эккерт, Маучли, Голдстайн и Брайнерд — авторы отчета о работе над про­ ектом, который датирован 30 ноября 1945 г. Этот отчет является официаль­ ным документом о завершении работ по проекту ЭНИАК [13].

174

Таблица 1

Быстродействие автоматических ЦВМ

входы схемы, В ЭНИАК использовались схемы совпадения иа два

входа (вентили), выполненные ira пентодах.

2. Собирательные (разделительные) схемы, сигнал на выхо­

де которых появляется в том случае, если поступает сигнал хотя бы на один из входов схемы. Собирательные схемы ЭНИАК име­ ют два входа и формируются из двух триодов.

3. Триггеры, выполненные на двойных триодах. Схемы совпа­

дения применялись в ЭНИАК в качестве электронных переклю­

чателей, собирательные схемы — для комбинирования импульсов

от различных источников, а триггеры — для счета и запоминания

данных.

Триггерные ячейки использовались во всех блоках, которые совершали арифметические действия: сложение, вычитание, ум­

ножение, деление и извлечение корня. Для выполнения операций

сложения и вычитания, а также для запоминания информации применялось 20 сумматоров, представляющих собой декадные

кольцевые счетчики. Каждый сумматор был рассчитан на хране­

ние одного 10-разрядного десятичного числа (машина работала в десятичной системе счисления) и состоял из десяти триггерных колец (по десять триггеров в каждом) и двух триггеров для зна­ ка числа. Каждый триггер бы соединен с неоновой индикаторной лампой. Операции сложения и вычитания производились путем передачи в счетчик числа (пли его десятичного дополнения) из другого блока машины (в том числе из другого сумматора). Каж­

дый сумматор имел пять каналов ввода и два выводных канала.

Передача чисел осуществлялась с помощью групп из одиннадца­

ти проводников, по одному для каждого десятичного разряда и

одного — для знака числа. Число импульсов в каждом проводе равно значению передаваемой цифры.

Для выполнения других арифметических операций применя­ лись два блока: множительное устройство и устройство деления

и извлечения корня. Для перемножения 10-разрядных чисел в мноя^ительном устройстве использовалось до шести декадных

счетчиков (максимальное количество счетчиков применялось,

175

если из соображений точности требовалось произведение дли­

ной 20 разрядов). Интересно отметить, что умножение выполня­ лось не обычным методом последовательных сложений, а на ос­ нове специально разработанного метода, сущность которого со­ стоит в том, что при перемножении каждого разряда множимого и множителя цифры единиц получаемых частных произведений

поступают в один счетчик, а цифры десятков — в другой. Ко­ нечный результат получается суммированием частных произве­

дений.

Устройство деления и извлечения квадратного корня также

состояло из шести счетчиков: в одном помещалось делимое (или

подкоренное выражение), в другом — делитель (или удвоенный

квадратный корень), в третьем — частное, а четвертый использо­

вался для операции сдвига. В процессе деления делитель вычи­

тается из делимого до тех пор, пока разность не сделается отри­

цательной. Затем остаток сдвигается на одни разряд п делитель прибавляется до тех пор, пока не получится положительная сум­ ма. При каждой такой операции счетчик частного подсчитывает

количество циклов. Процесс извлечения корня производился пу­ тем комбинирования последовательного вычитания и сложения

нечетных чисел.

В процессе вычислений происходил обмен информацией между

арифметическими устройствами, которые могли также получать

данные от двух других устройств: трех блоков функциональных

таблиц п блока констант. Благодаря наличию 20 сумматоров ма­ шина ЭНИАК обладала важным достоинством: возможностью одновременного выполнения нескольких операций сложения или

вычитания. Ценность данного способа работы заключается в пред­

восхищении идей мультипроцессорных систем (ЦВМ с несколь­

кими устройствами обработки данных, получившие развитие в

60-х годах; см. гл. 6).

Проблему программирования конструкторы ЭНИАК разреши­ ли способом, потребовавшим разработки сложных схем управле­ ния для арифметических устройств. Программа задавалась по

так называемой внешней коммутационной схеме, состоящей из

соединительных проводов со штепсельными разъемами и пере­ ключателей. Для решения каждой новой задачи требовалась но­

меется, даже для машины, которая предназначалась для решения более или менее однотипных задач, данный метод программиро­

вания (штеккерный метод) был малоэффективен.

Другим важным недостатком машины являлась малая емкость

памяти (20 чисел). Следует отметить, что оба недостатка взаимо­ связаны: при наличии емкого запоминающего устройства оно могло бы быть использовано для записи программы. Как следует из отчета по проекту ЭНИАК, конструкторы машины сознавали

эту взаимосвязь, однако к моменту начала опытно-конструктор­

176

ских работ (1943 г.) в их распоряжении не было емкой и быстро­

действующей памяти, а применять триггеры для этой цели было

нерационально из-за большого количества требуемых ламп0 [14, 15].

3. Утверждение новых концепций организации электронных ЦВМ

Основные идеи отчетов Неймана

Непосредственным результатом успешного завершения рабо­

ты над машиной ЭНИАК явилось подтверждение на практике

высокой эффективности применения в вычислительной технике

электровакуумной технологии. Интерес, проявленный к машине, свидетельствовал о важности и своевременности дальнейшего развития нового технического направления. Перед конструктора­

ми ЦВМ встала задача максимальной реализации огромных пре­

имуществ, обеспечиваемых применением электроники. Необходи­

мо было, в частности, проанализировать сильные и слабые стороны проекта ЭНИАК и дать соответствующие рекомендации.

Блестящее решение этой задачи было дано в отчете Прин­ стонского института перспективных исследований «Предвари­

тельное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства» (июнь 1946 г.). Этот отчет, состав­

ленный выдающимся математиком Джоном Нейманом7 и его

коллегами по Принстонскому институту Г. Голдстайном и А. Берк­

сом 8, представлял собой проект новой электронной ЦВМ (маши­

на НАС) и содержал обоснование выбора конструкции [18].

Идеи, высказанные в отчете, оказали серьезное влияние на раз­

витие вычислительной техники. Сравнительно скоро после озна­

8 В машине ЭНИАК в каждом из декадных кольцевых счетчиков применя­ лось около 600 электронных ламп, в том числе 204 триода для запомина­ ния десяти десятичных разрядов п знака числа; остальные лампы исполь­ зовались для таких вспомогательных действий, как формирование сигна­ лов, вывод результатов, полученных при сложении и вычитании, установ­ ка нулей.

Необходимо отметить, что конструкция электронных схем ЭНИАК (на­ пример, конструкция тех же декадных кольцевых счетчиков) не отлича­ ется стремлением в минимизации электронных элементов. Конструкторы ЭНИАК объясняли это жесткими сроками разработки: «Условия военного времени обязывали конструировать ЭНИАК на основе обычных схем и элементов с минимальной переделкой их» [16, стр. 15].

7Отчет 1946 г. является развернутым'и детальным изложением новых идей построения электронных ЦВМ и программирования. Краткое изложение этих концепций содержалось в более раннем и менее известном отчете Дж. Неймана, напечатанном (на множительном аппарате) в июне 1945 г.

исодержащем общее описание разработанного им проекта электронной ЦВМ ЭДВАК [17]. Этой же теме была посвящена одна пз глав отчета по проекту ЭНИАК (глава «Замечаппя по поводу конструирования электрон­

ных вычислительных машин»), составленного в ноябре 1945 г.

8 Г. Голдстайн п А. Беркс принимали участие в разработке проекта ЭНИАК.

177

комления с отчетом широких научных кругов9 исследования в

области электронных ЦВМ начали ряд институтов и фирм США. Сущность основных рекомендации, изложенных в отчете Ней­

мана, заключалась в следующем:

1. Машины на электронных элементах должны работать не

вдесятичной, а в двоичной системе счисления.

2.Программа должна размещаться в одном из блоков маши­

ны — в запоминающем устройстве, обладающем достаточной ем­

костью и соответствующими скоростями выборки и записи ко­ манд программы.

3.Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом по форме

представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

а) промежуточные результаты вычислений, константы и дру­

гие числа могут размещаться в том же запоминающем устрой­

стве, что и программа;

б) числовая форма записи программы позволяет машине про­

изводить операции пад величинами, которыми закодированы

команды программы.

4. Трудности физической реализации запоминающего устрой­

ства, быстродействие которого соответствует скорости работы

основе схем, выполняющих операцию сложения; создание спе­

циальных устройств для выполнения других операций нецелесо­

образно.

6. В машппе используется параллельный принцип организа­

ции вычислительного процесса (операции над словами произво­ дятся одновременно по всем разрядам).

Необходимо отметить, что некоторые идеи, приближающиеся

к концепциям Неймана, были высказаны ранее. Так, еще в про­ екте Бэббиджа предусматривалось специальное запоминающее

аналоговых вычислительных машин В. Бушу) [11]. Известно также, что в проектах Цузе и Атанасова предусматривалось выполнение операций в двоичном коде. Заслуга Неймана заклю­ чалась не только в том, что он сформулировал и обосповал не­

которые новые концепции, но и в том, что он разработал методы

их практической реализации (проекты машин ЭДВАК и НАС).

университета (1946 г.).

178

Дж. Нейман

(устройств управления, ввода-вывода, запоминающего и арифме­

тического устройств) вычислительной машины ИАС. Заметим, что последующий опыт разработки ЦВМ показал правильность всех выводов Неймана, за исключением единственной рекоменда­

ции использовать программные, а не схемные методы для пред­

ставления чисел в форме с плавающей запятой. В целом отчеты

Неймана явились крупнейшим вкладом в разработку схемно­

структурных решений универсальных электронных ЦВМ.

Ролъ двоичной системы счисления

Идея Неймана использовать двоичную систему счисления была обусловлена как присущими ей достоинствами, так и спе­

цификой электронных элементов.

Двоичная система счисления, точно так же, как и наиболее

распространенная в настоящее время десятичная система, отно­ сится к классу позиционных систем, т. е. таких систем счисления, в которых знаки (цифры), используемые для изображения чисел,

принимают различные значения в зависимости от их положения

179