Книга: Архитекторы компьютерного мира

Джон Маучли и Джон Эккерт Создатели ENIAC и концепции хранимой программы

Джон Маучли и Джон Эккерт

Создатели ENIAC и концепции хранимой программы

Джон Маучли

Да, Маучли и Эккерт построили целостную вещь с названием ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) — первый действующий электронный цифровой компьютер. 14 февраля 1946 года, в день Святого Валентина, 30-тонный гигант с 18 тысячами электронных ламп и 6 тысячами переключателей был запущен. Согласно легенде, огни Филадельфии погасли. Мир приветствовал начало компьютерной эры.

ENIAC был создан на основе вакуумно-ламповой технологии, что обеспечило повышение быстродействия, так необходимое для ученых и математиков.

Джон Эккерт

По сравнению с компьютером "Марк-I", изобретенным в Гарвардском университете Айкеном двумя годами раньше, он работал более чем в тысячу раз быстрее. ENIAC мог умножать за 2,8 мс, делить за 24 мс. До появления ENIAC квалифицированному оператору настольного калькулятора требовалось около 20 часов, чтобы получить приемлемые результаты вычисления траектории. То же самое вычисление занимало 20 минут на дифференциальном анализаторе, а наиболее сложный на то время компьютер ENIAC мог выполнить это вычисление траектории всего за 30 секунд.

ENIAC был неуклюжим по сравнению с более поздними компьютерами. Чтобы задавать компьютеру новые команды, необходимо было набрать код вручную, так же как телефонный оператор соединяет контакты на коммутационном поле. Однако научный мир приветствовал двух главных создателей ENIAC — Джона Маучли и Джона П. Эккерта.

К их большому огорчению Маучли и Эккерт будут навсегда связаны с нелепицей и противоречием: кто фактически изобрел первый компьютер. Так как они работали на военное ведомство и их исследования были засекречены, они не могли никому поведать о своем изобретении. Другие, чувствуя меньшую ответственность за разглашение тайны секретной лаборатории, рассказали о создании электронного мозга.

Компьютер ENIAC

У Маучли с детства проявились гениальные способности. Он умел обращаться с электричеством и интересовался вычислительными машинами. Родился ученый 30 августа 1907 года в Цинциннати. Ему было девять, когда его семья переехала в Чеви-Чейс, штат Мэриленд вблизи Вашингтона, округ Колумбия, где его отец стал руководителем Отдела земного электричества и магнетизма в институте Карнеги. В возрасте пяти лет Джон собрал фонарь для игры с другом на чердаке. Когда он учился в начальной школе, он устанавливал электрические дверные звонки, чтобы заработать карманные деньги. Он изобрел устройство, которое автоматически выключало свет, когда приходила его мать, чтобы проверить, спит ли он.

В 1925 году Маучли поступил в университет в Балтиморе, где изучал электронную технику. В сентябре 1927 года, после двухлетнего обучения в колледже, ему была присвоена степень магистра для поступления в высшую школу физики, которую он не закончил. Он работал вычислителем в бюро стандартов. Он всегда отыскивал способы ускорять вычисления, насколько это возможно, на основе существующего оборудования. Ему присвоили степень доктора философии по физике в 1932 году. Год спустя он стал заведующим кафедрой физики в колледже, штат Пенсильвания. В декабре 1930 года Маучли женился на Мэри Вэлзли.

Занимаясь метеорологией, в надежде улучшить предсказание погоды, он хотел доказать, что Солнце оказывает первичное влияние на климат. Он доказал это статистически: каждая вспышка на Солнце влечет за собой некоторое климатическое явление, происходящее через определенное количество дней. Нанимая группу студентов, специалистов в математике за пятьдесят центов в час, Маучли использовал их для обработки данных. Он анализировал огромное количество полученных данных для предсказания погоды и понял, что необходим компьютер. Маучли представлял компьютер как ключ к ускорению вычислений. Хотя вакуумные лампы были ненадежны, но они могли ускорить процесс по сравнению с перфорационным оборудованием и настольными калькуляторами.

Маучли всегда использовал различные подходы к решению задачи, выбирая наиболее быстродействующий способ подсчета. Он пригласил в лабораторию дипломированных специалистов и начал проводить эксперименты с неоновыми лампами, закупив небольшую партию в компании "Дженерал", а вакуумные лампы он заимствовал из радиоприемников. Схемы Маучли, разработанные между 1936 и 1940 годами, включали в себя газовые, неоновые и вакуумные лампы, которые затем предполагалось применять в электронных цифровых вычислениях.

4 декабря 1940 года Маучли стал учеником Джона де Вайре и в течение года надеялся изобрести первым электронное вычислительное устройство, которое бы выдавало ответ сразу же после ввода всей необходимой для расчета информации. Затруднение заключалось в системе счисления. Итогом всех проведенных экспериментов явилось представление доклада на конференции в Пенсильванском университете. Сразу же после лекции он встретился с Джоном Атанасовым. В июне 1941 года Маучли отправился в штат Айова, чтобы взглянуть на машину Атанасова — АВС. Познакомившись с работой машины, он был разочарован методами Атанасова, машина не была автоматизирована и каждый шаг управлялся оператором. Он надеялся увидеть более совершенную и автоматизированную машину. Он отметил, что Атанасов не использовал основные преимущества вакуумных ламп, их быстродействие и многофункциональность. Кроме того, Атанасов не знал, как сделать надежными вакуумные лампы. Пока Маучли находился в штате Айова, он узнал, что его приняли в электротехническую школу Мура. Был разработан курс для обучения двадцати специалистов по математике и электроники. Здесь впервые пересеклись пути Джона Маучли и Джона Преспера Эккерта.

Подобно Маучли, Эккерт был талантливый молодой человек с мышлением инженера и готовностью разрабатывать самые необычные устройства. Он родился в Филадельфии 9 апреля 1919 года в семье инженера-строителя. В восемь лет он собрал детекторный радиоприемник. В двенадцать лет Преспер сделал маленькую лодку, которая перемещалась с помощью магнитного поля, и получил за это первый приз. В пятнадцать лет он разработал дистанционно-управляемое взрывное устройство, которое испытал в школе, нажав на кнопку блока управления в аудитории. Ко времени окончания школы в 1937 году Эккерт закончил также первый курс отделения математики. Хотя он поступил в MIT и был допущен к дальнейшей учебе, мать Эккерта не хотела этого. Его отец хотел, чтобы он учился в Бартонской школе финансов, в университете штата Пенсильвания. Следуя желанию своих родителей, он перевелся в Бартон, но проучился там недолго, поскольку не любил занятия по бизнесу. Он хотел изучать физику. Так как набор закончился, он пошел в школу Мура, которую закончил в 1941 году.

Он всегда был изобретателем. В течение одного лета он сконструировал устройство, которое измеряло концентрацию паров нафталина, используя ультрафиолетовое излучение. Позже он усовершенствовал схемы для распределения напряжения. Затем он разработал приборы, которые измеряют допустимое напряжение усталости в металлах. В течение Второй мировой войны он сконструировал устройство для отыскания вражеских магнитных морских мин. Устройство записывало малейшие изменения в магнитном поле. Он работал над проблемами радаров, над устройством синхронизации измеряемых радарами целей. Летом 1941 года он изучал в школе Мура электронику и подружился с одним из двадцати студентов — Джоном Маучли. Эккерту было двадцать два, он был моложе Маучли на двенадцать лет, но они этому не придавали никакого значения. В то время как другие думали, что планы Маучли нереалистичны, Эккерт, напротив, был убежден, что создание электронного компьютера на базе вакуумных ламп — вполне решаемая задача.

Как уже отмечалось, в июне 1941 года Маучли посетил Джона Атанасова. В сентябре он написал Атанасову, что у него есть концепции, которые "ничем не похожи на вашу машину" и что он "хочет провести исследования различных идей с надеждой получения очень быстрых результатов и не слишком дорогостоящих". Он спросил разрешения у Атанасова о включении некоторых особенностей его компьютера в свой. По просьбе своей второй жены Кэтлин Маучли, он просто хотел подключить Атанасова к совместной работе над новым компьютером. Однако ответ Атанасова был отрицательным.

В ноябре 1942 года союзники высадились в Северную Африку, а т. к. различие между севером Африки и Мэрилендом было значительно, то таблицы огня были неверны. Поэтому артиллерийский департамент армии США получил заказ на новые баллистические таблицы, которые требовали вычисления сотен траекторий: для каждой траектории по шесть таблиц в день. Ученые Абердина, специалисты в области баллистических исследований, работали совместно со школой Мура над составлением таблиц. Дифференциальный анализатор, их самая лучшая машина в то время, не был достаточно точен, но только один Эккерт понимал ее бесперспективность. Маучли ждал момента, чтобы предложить школе Мура сконструировать электронный высокоскоростной компьютер на базе вакуумных ламп.

Школа Мура отнеслась безразлично к его идее, но Эккерт был на его стороне. Для Маучли и Эккерта наступило тяжелое время, т. к. было необходимо убедить других вкладывать деньги в электронику, особенно в электронные лампы. Оппоненты говорили, что лампы быстро выйдут из строя. Знаменитый Энрико Ферми, статистик и физик, информировал Джона фон Неймана, что с таким количеством ламп ENIAC проработает только пять минут. Но Маучли и Эккерт не были обеспокоены этим. Они знали, что компьютер будет в тысячу раз быстрее, чем любое другое устройство, и если он проработает только пять минут в час, это будет в сотню раз быстрее, чем любая другая машина.

В августе 1942 года Маучли составил проект "Использование быстродействующих устройств на электронных лампах для вычислений", в котором убедительно показал, что использование электронных схем значительно увеличит быстродействие вычислений. Машина, которую он задумал, выполняла тысячу умножений в секунду, вычисляла траектории за одну-две минуты, что в пятнадцать — тридцать раз быстрее, чем анализатор. Но реальное появление ENIAC произошло в сентябре, когда Абердин установил связь с университетом через своего посредника, лейтенанта Германа Голдстайна. В марте 1943 года Голдстайн попросил Маучли высказать свои идеи относительно электронных вычислений. Когда Голдстайн предложил, чтобы Маучли записал все свои идеи на бумаге, то он ответил, что это уже сделано. Но, к большому огорчению Маучли, доктор Джон Брайнерд, администратор школы Мура, руководитель проекта ENIAC, сообщил им о пропаже записки. Благодаря секретарше Маучли Дороти Шисла удалось восстановить записку из ее стенографических отчетов.

Некоторые члены правительства не одобряли этих разработок, т. к. думали, что компьютер технически невыполним при существующих технологиях. Но все-таки проект был одобрен 9 апреля 1943 года, в день рождения Эккерта, когда ему исполнялось 24 года. Артиллерийский департамент выделил 400 тыс. долларов для засекреченной разработки электронного универсального компьютера, самого быстрого, названного электронным числовым интегратором (ENIAC). Сначала ему было дано название ENI, но впоследствии он был переименован в ENIAC. План разработки ENIAC был засекречен и в школе Мура упоминался под кодовым названием '"Проект РХ".

Самое большое электронное оборудование, известное в то время, электронное радарное устройство, содержало около 200 электронных ламп, в то время как в ENIAC предусматривалось приблизительно 17 000 ламп.

Пятьдесят человек непрерывно работали над проектом за исключением Маучли, который еще и учился. Место для установки было выбрано прозаически, это была перестроенная аудитория в школе Мура.

ENIAC не использовал двоичную систему, упрощая работу операторов, читающих результаты сразу же, без преобразования из двоичных кодов. Самое длинное число, обрабатываемое ENIAC, содержало двадцать цифр. В главном программном устройстве была заложена информация для всех команд и переходов. Программа вычислений не сохранялась в памяти вместе с данными и не могла быть изменена.

Немногие могли забыть привычки работы Эккерта и Маучли. Эккерт любил работать вне кабинета в присутствии кого-нибудь, причем не имело значения, был ли это техник или сторож. Он был человеком движения и редко сидел на стуле, а чаше присаживался на край стола или ходил взад-вперед. Маучли был большой труженик, который мог иногда оставаться на работе несколько дней без перерыва на сон.

Мысли Маучли и Эккерта были заняты только ENIAC, пока в конце апреля 1944 года они не почувствовали себя на пороге успеха. Два сумматора обрабатывали данные взаимодействия, а также последующую информацию. Затем Маучли и Эккерт сформировали остальные восемнадцать сумматоров. Но это уже было двадцатью месяцами позже, прежде чем весь ENIAC впервые начал работать.

Уже в декабре 1943 года Маучли и Эккерт стали думать относительно проектирования улучшенного ENIAC, который обеспечивал бы хранение в памяти не только данных, но и команд. Их доклад о достигнутых результатах, написанный в том же месяце, включал и предложение о другом компьютере. Новая идея обрела конкретную форму, когда в конце 1944 года Баллистическая исследовательская лаборатория согласилась на разработку EDVAC (Electronic Discrete Variceble Automatic Computer). Для обеспечения секретности этот проект назвали "Проект РУ.

Проект EDVAC оказал революционное влияние на весь ход дальнейшего развития компьютерной техники. В январе 1944 года Джон Эккерт впервые выдвинул идею хранимой в памяти программы. С позиций сегодняшнего дня принцип хранимой программы считается наиболее важной идеей компьютерной архитектуры и, как утверждают некоторые ученые, единственной вызвавшей вторую промышленную революцию XX века.

Эта идея состоит в том, что, во-первых, программа вычислений вводится в компьютер и хранится в той же памяти, что и исходные числа, а во-вторых, команды, составляющие программу, представляются в виде числового кода, по форме не отличаются от чисел и с ними можно производить те же операции, что и с числами.

Устройства памяти в компьютере EDVAC Эккертом впервые были выполнены на ртутных линиях задержки.

Осенью 1944 года, когда Маучли и Эккерт работали над новым компьютером, военный представитель проекта Герман Голдстайн пригласил в качестве консультанта Джона фон Неймана, блестящего математика, участвовавшего в то время в секретном Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы. Нейман, познакомившись с работой группы Маучли и Эккерта над проектом EDVAC, прекрасно понял, что представляет собой этот компьютер для научных исследований. В июне 1945 года он подготовил отчет "Предварительный доклад о машине EDVAC", в котором дал описание основных элементов компьютера и логики его работы.

Голдстайн, не посоветовавшись с основными авторами проекта — Маучли и Эккертом, размножил доклад и разослал его многим ученым Америки и Англии. Доклад произвел большое впечатление в научном мире, а т. к. имя Неймана было широко известно, никто не усомнился в его приоритете (до сих пор архитектуру компьютера, основанную на вышеприведенных положениях доклада, называют неймановской).

Маучли и Эккерт, лишенные возможности, по соображениям секретности, опубликования материалов по своему изобретению, были глубоко возмущены действиями Голдстайна, предоставившего это сделать человеку, который подключился к их работе только практически через год. Они понимали, что их изобретение найдет большое применение в человеческой деятельности, и опасались, что публикация Неймана помешает им получить патент.

Так оно и случилось. Администрация школы Мура Пенсильванского университета настаивала на том, чтобы члены группы отказались от своих авторских прав на ENIAC и EDVAC. Маучли и Эккерт отвергли требование администрации и в конце марта 1946 года, через полтора месяца после торжественного пуска их первенца, компьютера ENIAC, покинули университет.

С февраля 1946 года ENIAC участвовал в решении задач секретного характера, связанных с созданием водородной бомбы. Первую задачу, которую существующие вычислительные машины решали за сорок часов, ENIAC вычислял за двадцать секунд. Маучли и Эккерт открыли новую эру, и доказательством этого служил их 30-тонный монстр с 40 панелями, 10 000 конденсаторами, 6000 переключателями и 18 000 электронными лампами. 4000 неоновых лампочек были на лицевой части машины, которые регистрировали состояние различных частей машины.

До 1947 года ENIAC находился в школе Мура, затем его перевезли на полигон в Абердине. Используемый главным образом для составления таблиц стрельбы и создания нового вида оружия, он также применялся для аэродинамических расчетов и предсказания погоды. Проработал он до 22 октября 1955 года.

Отвергнув предложение открыть компьютерную лабораторию при компании IBM, Маучли и Эккерт основали весной 1946 года собственную фирму, на ссуду, взятую у отца Эккерта.

Изобретатели компьютера занялись бизнесом исключительно для того, чтобы разработать машину типа EDVAC для Федерального бюро переписи. Они подписали контракт с правительством для технической реализации памяти на магнитной ленте и ртутных линиях задержки. Хотя формально они больше не работали в университете Пенсильвании, летом Маучли и Эккерт провели шестинедельный семинар в школе Мура "Теория и методы проектирования электронных цифровых компьютеров". Это была первая реальная возможность дать представление слушателям относительно электронных вычислений. Лекции в школе Мура были главнейшими из событий, происшедших на заре компьютерного века.

В конце лета случилась трагедия в семье Джона Маучли. Отдыхая на побережье в Нью-Джерси, утонула его жена Мери. Двумя годами позже Маучли женился на одной из первых программисток ENIAC — Кэтлин Мак-Нальти.

В конце 1947 года Маучли и Эккерт подписали контракт с корпорацией Northron в Калифорнии на создание двоичного автоматического компьютера — BINAC, который предполагалось использовать в проекте разработки дальнобойной управляемой ракеты для Военно-воздушных сил. При этом также предполагалось в будущем использовать его как бортовой вычислитель.

Компьютер BINAC

Но бортовые компьютеры стали реальностью только, когда были изобретены миниатюрные радиодетали. BINAC был собран в августе 1949 года с перерасходом бюджета в 178 000 долларов, и с этим два изобретателя потеряли самостоятельность. Поглощенные проектом с Бюро переписи — будущим UNIVAC, Эккерт и Маучли уделяли мало внимания BINAC. В результате машина — это был электронный компьютер с хранимой программой (EDVAC не был завершен до 1952 года) — работала неустойчиво.

Составленный из двух последовательных процессоров, BINAC функционировал, скорее, как два компьютера, обеспечивая дублирование вычислений. Каждая часть машины была сформирована как пара модулей, которые проверяли каждый шаг. Все команды выполнялись каждым модулем, а затем результаты сравнивались между модулями. Если они были равны, следующая команда выполнялась, но если наблюдалось расхождение между двумя модулями, то процесс останавливался. Процессор был всего высотой 5 футов, длиной 4 фута и фут шириной, крошечный для тех дней. Каждый состоял из 700 ламп. В то время как ENIAC мог выполнять 5000 действий в секунду, В IN АС делал только 3500, но последний компьютер мог делать 1000 умножений в секунду, в три раза больше чем ENIAC (333). С большой памятью каждый из двух BINAC-процессоров мог сохранять 512 команд.

BINAC для Маучли и Эккерта был ступенькой к UNIVAC, изобретатели верили в коммерческий потенциал компьютеров, и компьютер, который они сделали, имел большой спрос: сорок шесть экземпляров были проданы. Заказчики покупали компьютеры, даже если они стоили сотни тысяч долларов. Все остальные фирмы, среди них — IBM, были вынуждены простаивать и лишь наблюдать за успехом UNIVAC Эккерта и Маучли. До конца 1949 года фирма Эккерта и Маучли испытывала финансовые затруднения. Ударом явилась смерть главного инвестора фирмы, Генри Страуса, державшего 40 процентов пакета акций в "Эккерт-Маучли" — он погиб в авиационной катастрофе. Находясь на грани банкротства, Эккерт и Маучли приняли первое приемлемое предложение от Remington Rand. Два изобретателя получили 70 000 долларов за патенты плюс гарантируемое жалование 18 000 долларов в год в течение следующих восьми лет. Remington Rand завершил UNIVAC и поставил его в Бюро переписи 14 июля 1951 года.

UNIVAC был самым быстродействующим компьютером, созданным к тому времени (1951 год). Это была единственная в мире коммерческая электронная вычислительная машина общего назначения. Его "изюминка" — память с хранимой программой, а программируемые команды записывались на магнитную ленту. Одна бобина с магнитной лентой могла хранить один миллион знаков, раньше для такого количества требовались десятки тысяч перфокарт. UNIVAC содержал только 5000 электронных ламп (по сравнению с 17 468 лампами ENIAC) и был более компактен, чем предшественники. Основной процессор занимал пространство 14,5x7,5x9 футов. В то время как ENIAC работал с частотой 100 000 Гц, у UNIVAC она была 2,5 млн. импульсов в секунду. UNIVAC не требовал большого количества времени для загрузки. Информация считывалась с магнитной ленты. В отличие от двадцати 10-разрядных слов ENIAC, UNIVAC имел во внутренней, быстродействующей, доступной памяти 1000 слов.

В 1963 году, после более чем 73 500 часов работы, коммерческий отдел фирмы Remington Rand "отправил" UNIVAC в отставку. Сегодня части этой машины можно увидеть в Смитсоновском институте.

После UNIVAC Маучли и Эккерт создали компьютер LARC, первую машину, в которой были заложены идеи мультипрограммирования и мультипроцессирования.

Компьютер UNIVAC

В то же время Эккерт занял пост вице-президента в "Sperry Corporation". Он жил в Глодвине со своей женой, Юдит Энн Револьт, и двумя из своих четырех детей.

Джон Маучли работал директором в "Univac-Division" до 1959 года, а затем организовал фирму "Mauchly Associetes" по разработке компьютерной техники, а в 1968 году создал сеть консалтинговых компаний с названием "Dynatrend".

В 1974 году Маучли серьезно заболел (наверное, причиной болезни было несправедливое решение судьи Ларсона, вынесенное 19 октября 1973 года, в котором подвергался сомнению приоритет Маучли и Эккерта и, соответственно, патентные права "Sperry Соrр.") и до конца жизни так не смог поправиться. Он умер в январе 1980 года, пережив свою жену Кэтлин Мак- Нальти. У него было 2 сына и 5 дочерей.

Профессор Маучли был членом многих обществ, в том числе Американского физического общества и Института Франклина. Он был удостоен многих наград, среди которых медаль Говарда Поттса Института Франклина (1949 год), премия Джона Скотта (1961 год). В 1973 году Маучли вместе с Эккертом был удостоен филадельфийской премии "Человек года".

Джону Эккерту в 1964 году в Пенсильванском университете присудили почетную степень доктора наук в области компьютерной техники. В 1969 году он был удостоен высшей государственной награды за достижения в развитии науки, математики и техники — медали за достижения в области науки (National Medal of Science). Он является действительным членом Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, членом Национальной академии технических наук, он — автор и соавтор 87 патентов.

Маучли и Эккерт вписали в историю компьютерной техники монументальную страницу.

Оглавление книги