Водородная бомба вместо «Hello, world!»: как и для чего придумали первую ЭВМ / Skillbox Media

Содержание:

• Компьютер для артиллерии
• Машина весом в 30 тонн
• Расчёты для проектирования водородной бомбы и сверхзвукового самолёта
• Невидимые программисты ENIAC
• Конец ENIAC

История компьютера ENIAC начинается в 1930-х годах с инициативы американского профессора Джона Мокли, который стремился предсказывать погоду на годы вперёд, а не только на недели. Мокли полагал, что для достижения этой цели необходимо разгадать закономерности солнечных вспышек и пятен. ENIAC стал одним из первых электронных универсальных компьютеров, сыграв важную роль в развитии вычислительной техники и научных исследований. Разработка этого компьютера открыла новые горизонты в обработке данных и вычислениях, что впоследствии стало основой для современных технологий.

Профессор обладал многолетними данными метеорологических наблюдений, которые требовали тщательного анализа. Для этого он приобрел списанные калькуляторы у банков и привлек студентов к работе. Однако процесс вычислений оказался медленным из-за объема информации и частых ошибок со стороны студентов.

Мокли осознал, что для повышения скорости работы необходимо мощное вычислительное устройство. В результате он приступил к разработке машины на радиолампах, способной выдавать результаты немедленно после ввода данных. Однако собрать это устройство ему не удавалось из-за недостатка финансовых средств.

В 1941 году Мокли начал свою преподавательскую деятельность в инженерной школе при университете. В это время он встретил изобретателя Джона Эккерта, который также проявлял интерес к разработке электронного компьютера. Эта встреча стала важным шагом на пути к созданию новых технологий, которые изменят мир вычислений.

Компьютер для артиллерии

Вскоре у Мокли появилась возможность реализовать свою идею. В 1942 году союзники провели высадку в Северной Африке, и артиллеристам стали необходимы баллистические таблицы, адаптированные к особенностям местного климата. Это требование открыло новые горизонты для применения научных знаний в военной сфере, что позволило улучшить точность стрельбы и повысить эффективность операций.

Школа, в которой трудился Мокли, активно сотрудничала с баллистической лабораторией. В этом учреждении таблицы разрабатывались сотнями сотрудников, среди которых преимущественно были женщины с высшим образованием в области математики.

В лабораториях девушек называли «компьютерами» (от английского computer — вычислитель). В то время в Америке существовало гендерное неравенство, и женщин не допускали к инженерным задачам. Вместо этого им поручали кропотливую, трудоемкую и низкооплачиваемую работу. Тем не менее, девушки находили в этом занятии удовлетворение, так как это была достойная альтернатива карьере провинциальной учительницы.

Таблицы для всех снарядов и орудий разрабатывались с высокой точностью. Для каждого типа снаряда необходимо было рассчитать приблизительно три тысячи траекторий полёта, учитывая множество факторов. Ключевыми параметрами являются угол возвышения ствола, скорость снаряда, температура воздуха, атмосферное давление, а также скорость и направление ветра. Эти данные критически важны для обеспечения точности стрельбы и повышения эффективности использования артиллерийских систем.

Люди занимались решением сложных дифференциальных уравнений и затем использовали логарифмические линейки и арифмометры для получения значений этих функций. Некоторые вычисления выполнялись с помощью дифференциального анализатора, однако его незначительная точность требовала дополнительной проверки полученных результатов. Каждый расчет траектории включал около 1000 операций, и процесс формирования полной таблицы занимал у сотни специалистов целых четыре года.

Объем работ оказался слишком велик, и сотрудники не справлялись с задачами. В этой ситуации Мокли и Эккерт решили обратиться к руководству своего института с предложением разработать электронную вычислительную машину, способную значительно ускорить процесс вычислений. Однако их инициатива не была должным образом оценена.

В апреле 1943 года Мокли, следуя рекомендациям знакомых, подал заявку на получение финансирования в баллистическую лабораторию. Он гарантировал, что разработанный им компьютер сможет вычислять траекторию всего за пять минут. Это обещание стало важным шагом в развитии вычислительной техники и показало потенциал автоматизации расчетов в баллистике.

В описании проекта Мокли была использована хитрость: он назвал своё изобретение электронным дифференциальным анализатором, чтобы избежать недоверия со стороны военных. Военные структуры традиционно не склонны финансировать новые и непроверенные технологии, однако дифференциальные анализаторы были им хорошо знакомы. Это позволило Мокли получить необходимое финансирование для своего проекта, опираясь на устоявшиеся представления и потребности военных.

Проект сразу столкнулся с множеством критиков. Оппоненты утверждали, что радиолампы имеют ограниченный срок службы и что выход из строя даже одной детали может остановить всю систему. Знаменитый физик Энрико Ферми также выразил сомнения, предсказав, что лампы не продержатся дольше пяти минут. Несмотря на эти негативные прогнозы, финансирование для ученых было обеспечено.

В 1944 году завершилась работа над чертежами, и команда инженеров под руководством Джона Мокли и Джона Эккерта приступила к строительству компьютера. Проект возглавил Мокли, а Эккерт занял пост главного конструктора. В дальнейшем к команде присоединился Джон фон Нейман в качестве научного консультанта, что значительно усилило проект. Историческое значение этого этапа в развитии компьютерной техники сложно переоценить, ведь именно здесь закладывались основы для создания первых электронных вычислительных машин.

Машина весом в 30 тонн

Осенью 1945 года был создан компьютер ENIAC, который стал первым электронным числовым интегратором и вычислителем. Эта машина весила 30 тонн и имела длину 30 метров. В ее конструкции использовались 17 000 радиоламп, 10 000 конденсаторов, 7 000 резисторов, 15 000 реле и 6 000 переключателей. ENIAC стал важным шагом в развитии вычислительной техники и заложил основы для будущих технологий, открыв новые горизонты в области автоматизации вычислений и обработки данных.

Архитектура ENIAC имела свои недостатки, что привело к использованию большого количества деталей. Этот ранний электронный вычислитель включал в себя специализированные модули для выполнения операций сложения, умножения, деления и извлечения квадратного корня. Промежуточные результаты операций передавались между модулями, что усложняло процесс обработки данных и снижало общую эффективность системы. Тем не менее, ENIAC стал важным этапом в развитии компьютерной архитектуры, заложив основы для последующих вычислительных машин.

В современных компьютерах числа хранятся в регистрах и обрабатываются в специализированных арифметических модулях, после чего результаты снова помещаются в регистры. В отличие от этого, в ENIAC каждый модуль хранения чисел выполнял функции обработки, позволяя осуществлять арифметические операции непосредственно в самом модуле. Такой подход позволял повысить эффективность вычислений, так как исключал необходимость передачи данных между различными компонентами системы.

ENIAC, один из первых электронных вычислительных устройств, использовал десятичную систему счисления вместо двоичной. Для отображения каждой цифры десятичного числа задействовалось 10 ламп. Например, если горела лампа №1, это означало ноль, лампа №2 указывала на единицу, а лампа №3 соответствовала двойке и так далее. Такой подход приводил к значительному расходу электронных компонентов. Для представления числа 1000 в двоичной системе (1111101000) требовалось всего 10 ламп, по одной на каждую двоичную цифру. Однако в системе ENIAC для того же числа было необходимо 40 ламп, так как на каждую десятичную цифру приходилось по 10 ламп. Это подчеркивает неэффективность конструкции ENIAC по сравнению с более современными вычислительными системами, использующими двоичное кодирование.

ENIAC, один из первых электронных компьютеров, мог выполнять 357 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Его память вмещала 20 десятизначных чисел, что ограничивало объём обрабатываемых данных. Важно отметить, что ENIAC не сохранял программы в своей памяти, что отличает его от современных компьютеров, где программы и данные хранятся в одном и том же пространстве. Эти характеристики делают ENIAC важным этапом в истории вычислительной техники, открывшим путь к дальнейшему развитию компьютерных систем.

В то время не существовало операционных систем и языков программирования, поэтому все процессы выполнялись вручную. Установка переключателей и подключение проводов требовали значительных усилий. Данные вводились на перфокартах с помощью кард-ридера IBM, а вывод результатов осуществлялся с использованием перфоратора IBM. Этот подход к программированию и обработке данных был сложным и требовал высокой степени точности и внимательности.

ENIAC, хотя и уступал электромеханическому компьютеру Mark I Говарда Эйкена в надёжности, значительно опережал его по скорости, достигая производительности в тысячу раз выше. Например, ENIAC рассчитывал траекторию, на выполнение которой механический дифференциальный анализатор тратил 15 минут, всего за 20 секунд. При этом точность его работы была сопоставима с вычислениями человека, использующего механический калькулятор.

Расчёты для проектирования водородной бомбы и сверхзвукового самолёта

14 февраля 1946 года миру был представлен ENIAC, что сделало этот день Днём программиста. Этот первый универсальный электронный компьютер продемонстрировал свои впечатляющие возможности, рассчитав сумму 5000 чисел всего за одну секунду. Кроме того, ENIAC смог вычислить траекторию полёта снаряда быстрее, чем сам снаряд достигал цели. Это событие стало значимым шагом в истории вычислительной техники и положило начало эры программирования и разработки компьютерных технологий.

Присутствующие были поражены. Они стали свидетелями того, что для активации машины и начала вычислений достаточно было нажать всего одну кнопку. Восхищённые журналисты охарактеризовали ENIAC как «электронный мозг», «искусственный интеллект» и «волшебник». Это событие стало знаковым моментом в истории вычислительной техники и открыло новые горизонты для разработки технологий, которые продолжают изменять мир сегодня.

Когда ENIAC был завершен, война подошла к концу, и необходимость в артиллерийских расчетах утратила свою актуальность. В результате его применили для решения новой задачи — проверки одного из вариантов конструкции водородной бомбы.

Задача требовала значительных вычислительных ресурсов, что подразумевало решение дифференциальных уравнений. Программисты делили её на несколько этапов: на первом этапе решения находились вручную, а затем алгоритм переводился на язык переключателей и проводов для автоматизации процессов. Это позволило значительно упростить и ускорить вычисления, сделав их более эффективными и менее подверженными ошибкам.

Промежуточные результаты записывались на перфокарты, которые затем снова вводились в компьютер после перенастройки. Ни одно из электромеханических устройств того времени не могло справиться с подобной задачей.

ENIAC обладал возможностью выполнять сложные вычисления, включая циклы, переходы и подпрограммы. Однако для его функционирования требовалось предварительное ручное решение множества уравнений. Это ограничение делало его использование трудоемким процессом, несмотря на его мощные вычислительные возможности.

Для разработки водородной бомбы было использовано миллион перфокарт. Компьютер успешно справился с этой сложной задачей, и в результате была создана водородная бомба. До настоящего времени значительная часть расчетов остаётся засекреченной.

На ENIAC осуществляли прогнозирование погоды в Советском Союзе с целью определения возможных мест выпадения радиоактивных осадков в случае ядерной войны. Кроме того, на этом компьютере проводились инженерные расчёты и составление баллистических таблиц, в том числе для атомных боеприпасов. Британский физик Дуглас Хартри использовал ENIAC для расчётов аэродинамики сверхзвукового самолёта, что способствовало развитию авиационной техники. Эти достижения в области вычислительной техники и науки демонстрируют важность ENIAC в военных и инженерных приложениях.

Фон Нейман на компьютере ENIAC вычислял числа π и е (число Эйлера) с точностью до 2000 знаков после запятой. Его целью было изучить статистическое распределение цифр в этих числах, что помогло выяснить, способны ли компьютеры генерировать случайные числа. В результате исследований было установлено, что компьютеры действительно могут это делать. Позже, совместно с группой метеорологов, фон Нейман осуществил первый численный прогноз погоды, что стало значимым шагом в развитии метеорологии и вычислительных методов в этой области.

Невидимые программисты ENIAC

На презентации ENIAC не было упомянуто о вкладе женщин, которые разработали программы для демонстрации работы компьютера. Хотя они присутствовали на мероприятии, их роль сводилась к тому, чтобы рассаживать гостей и раздавать перфокарты с результатами вычислений, что затушевывало их значительный вклад в историю вычислительной техники. Эта ситуация подчеркивает недооцененность женщин в сфере технологий и науки, а также важность признания их достижений.

Информация о команде программистов первой электронной вычислительной машины (ЭВМ) стала известна лишь в конце восьмидесятых годов. В 1946 году выпускница Гарвардского университета Кети Клейман обнаружила фотографии с демонстрации ENIAC, на которых были представлены только мужчины. При попытке выяснить, где же женщины, участвовавшие в создании этой революционной технологии, она обратилась к известному компьютерному историку. В ответ она услышала, что женщин называли «refrigerator ladies», так как они выполняли роль моделей для рекламы бытовой техники, такой как холодильники и стиральные машины. Этот случай подчеркивает недостаточное признание вклада женщин в историю информатики и технологий, а также важность их роли в развитии компьютерной науки.

Кети не удовлетворила такой ответ, и она начала исследовать информацию о женщинах-программистах, занимающихся расчетами в области ядерного синтеза, траекторий полетов баллистических ракет и форм крыльев сверхзвуковых самолетов. В ходе своего поиска она смогла найти этих профессионалов, провести с ними беседы и опубликовать интервью, в котором они делятся своим опытом и достижениями в высоких технологиях. Это освещает важную роль женщин в STEM-дисциплинах и подчеркивает их вклад в современные научные и инженерные достижения.

Для работы на ENIAC были отобраны лучшие вычислители из Лаборатории баллистических исследований, среди которых оказались Кей Антонелли, Фрэнсис Билас, Джин Дженнингс, Рут Лихтерман, Бетти Холбертон и Марлин Вескоф. Эти женщины стали первыми в истории программистами электронно-вычислительных машин. Их вклад в развитие программирования и компьютерных технологий невозможно переоценить, и их достижения paved the way для будущих поколений женщин в STEM.

Команда, ответственная за программирование и обслуживание ENIAC, сталкивалась с серьезными трудностями. Каждый раз, когда требовалось ввести новую программу, им приходилось перекоммутировать устройство, выставляя тысячи тумблеров в новое положение и прокладывая множество проводов. Электронные лампы и конденсаторы выходили из строя почти ежедневно, и операторам приходилось тратить часы на поиск неисправных элементов для замены. Настройка работы ENIAC занимала несколько дней, а отладка программ могла длиться неделями.

Во время разработки ENIAC были найдены решения, которые стали основой современного программирования. Бетти Холбертон внесла значительный вклад, изобретя концепцию точки останова, а Кей Антонелли разработала идею подпрограммы. Эти инновации сыграли ключевую роль в формировании методов программирования, которые мы используем сегодня.

Бетти Холбертон и Джин Дженнингс сыграли ключевую роль в разработке процедуры сортировки, а также в преобразовании ENIAC в компьютер с хранимой программой и создании UNIVAC. Бетти Холбертон предложила изменить цвет панелей ENIAC с черного на серо-бежевый, который впоследствии стал стандартом для компьютерной индустрии. Эти изменения не только улучшили эстетический вид устройств, но и стали важной частью их функциональности и восприятия пользователями.

Работа женщин в научной и инженерной сферах долгое время оставалась незамеченной и недооценённой. Её часто воспринимали как второстепенную и «женскую». В то время как ведущие физики и инженеры занимались проектированием и созданием вычислительного оборудования, деятельность женщин не получала должного признания несмотря на её значимость. Это предвзятое отношение к роли женщин в STEM областях ограничивало возможности для их карьерного роста и влияния на развитие технологий. Пора пересмотреть стереотипы и признать вклад женщин в науку и технологии.

Конец ENIAC

ENIAC функционировал до 1955 года. Несмотря на множество модернизаций, к этому времени он стал устаревшим. Демонтаж компьютера произошел с появлением более современных и мощных электронных вычислительных машин, которые обеспечивали более высокую производительность и эффективность обработки данных. ENIAC, как первый универсальный цифровой компьютер, сыграл важную роль в истории вычислительной техники, но с развитием технологий он утратил свою актуальность.

Модели с аналогичной архитектурой больше не производились, так как вскоре в Пенсильванском университете была разработана фон Неймановская архитектура, которая легла в основу современных компьютеров. Эта архитектура стала стандартом для большинства вычислительных систем благодаря своей эффективности и универсальности.

ENIAC стал первым полностью электронным универсальным компьютером, который продемонстрировал возможность решения широкого спектра задач. Этот прорывный проект подтвердил, что вычислительную машину можно построить на основе электронных компонентов, обеспечивая ее эффективность и рентабельность. ENIAC открыл новые горизонты в области вычислительной техники и положил начало эре электронных компьютеров, которые впоследствии изменили подход к обработке данных и вычислениям во многих сферах.

Чтение является важной частью нашей жизни, которая обогащает знания и расширяет кругозор. Оно помогает развивать мышление, улучшает словарный запас и способствует личностному росту. Регулярное чтение книг, статей и других материалов становится источником вдохновения и новых идей. Чтобы извлечь максимальную пользу из чтения, важно выбирать качественные и актуальные источники информации. Разнообразие жанров и тем позволяет каждому найти что-то интересное для себя. Не забывайте делиться своими находками с другими, чтобы вдохновить их на чтение.

• «Компьютеры Гитлера»: как Германия стала родиной программируемых машин
• Упражнения в прекрасном: подключаемся к домашнему Wi-Fi без пароля
• Как программисту найти работу в Финляндии и получить вид на жительство