Леонид Черняк – История электронных компьютеров (страница 17)

Оперативная память была на линиях задержки ЭЛТ очень небольшой.

Основное назначение компьютеров первого поколения заключалось в выполнении сложных научных и военных расчетов – например, баллистических, статистических и инженерных. Среди наиболее известных машин этого периода – EDVAC, UNIVAC I, EDSAC, МЭСМ и БЭСМ-1, по непонятной причине забывают об IAS – машине, в полном смысле реализованной по архитектуре фон Неймана и при его участии, хотя по ее образу и подобию было создано порядка 10 машин.

IAS

Обычно в учебниках и популярных изданиях встречается утверждение: «архитектура фон Неймана – это EDVAC». На самом деле собственно фон-неймановская изложена в другом более фундаментальном документе – «Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument». По нему была построена машина, названная в IAS в честь Институте перспективных исследований (IAS), расположенного в Принстоне, под непосредственным руководством самого фон Неймана, а ее главным разработчиком был Джулинан Бигелоу. Он не просто воплотил теоретические идеи фон Неймана, а фактически создал прототип того, что позже стало стандартом архитектуры всех компьютеров: с хранимой программой, общей памятью для данных и инструкций и последовательным исполнением команд.

Термин «архитектура фон Неймана» появился в конце 1950-х – начале 1960-х годов уже задним числом, как ретроним. Он использовался для того, чтобы отличать модель компьютеров с хранимой программой, реализованную в проектах EDVAC/IAS, от альтернативных архитектур, которые начали появляться в тот период.

Изначально идея машины с хранимой программой не носила имени фон Неймана – это был результат совместной работы нескольких исследователей. Но с появлением других подходов к организации компьютеров потребовалось специальное обозначение классической схемы с единым хранилищем для данных и инструкций, последовательным выполнением команд и центральным процессором. Таким образом, термин «архитектура фон Неймана» выполняет ту же функцию, что и другие ретронимы, например «черно-белое телевидение» или «акустическая гитара» – он уточняет старый объект в контексте новых разработок.

Принципиально важным шагом стало то, что IAS разрабатывалась в академическом институте и ее технический проект был опубликован полностью и без каких-либо изъятий. Не было ни патентов, ни попыток коммерческого контроля. По этим причинам архитектура, как бы сегодня сказали, оказалась в public domain, что позволило десяткам исследовательских центров в США, Европе, СССР, Израиле, Австралии и Японии легально создавать ее клоны. В отличие от EDVAC, который несколько лет оставался скорее прототипом «на бумаге», именно IAS стал образцом для повторения.

Иногда можно встретить странные утверждение, будто IAS была асинхронным или даже параллельным. Это неверно, но том уровне технологий такое было невозможно, работа машины была строго синхронизирована тактовым генератором, до параллелизма его было еще не одно десятилетие.

Основные черты IAS

• Произвольный доступ к памяти. В отличие от последовательных устройств хранения (например, ртутных линий задержки в EDVAC), IAS использовала электронно-лучевые трубки Уильямса, которые позволяли обращаться к любым ячейкам напрямую по адресу.

• Фиксированный формат команд. Каждая инструкция состояла из двух частей: код операции и адрес, что упрощало декодирование и построение управляющей логики.

• Разделение функциональных блоков. Машина имела четко выделенные компоненты: арифметико-логическое устройство (ALU), управляющий блок, память и регистры. Каждый блок имел строго определенные функции.

• Синхронная модульная организация. Все узлы работали под управлением тактового генератора, что обеспечивало надежность и воспроизводимость работы схемы.

• Ясность и простота архитектуры. Модульная структура позволяла легко масштабировать и адаптировать машину, что сделало IAS эталоном для последующих компьютеров 1950-х годов.

Эта архитектура оказалась настолько продуманной, что стала основой для целого поколения машин, включая ILLIAC, MANIAC, ORACLE, WEIZAC, БЭСМ и другие. Хотя эти компьютеры различались по реализации и масштабу, их архитектурный облик был легко узнаваем и восходил к IAS.

UNIVAC – первый коммерческий компьютер

Проект ENIAC в 1945 году застрял на несколько лет и пути его создателей разошлись, Джон Моукли и Преспер Эккерт хотели превратить компьютер в коммерческий продукт, но эта позиция противоречила мнению руководства Университета Пенсильвании: университет требовал, чтобы все разработки и патенты, связанные с ENIAC и будущими машинами, принадлежали ему.

В результате в феврале 1946 года, почти сразу после официальной презентации ENIAC в Принстоне, Моукли и Эккерт подали в отставку и через несколько месяцев зарегистрировали собственную фирму – Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC). Это было первое предприятие в мире, полностью сосредоточенное на разработке и производстве электронных компьютеров.

BINAC: первая попытка создания коммерческой машины

Первой разработка EMCC стал BINAC (Binary Automatic Computer, 1949) – машина была задумана как двухпроцессорная система с резервированием: две одинаковые машины работали параллельно и сравнивали результаты, чтобы исключить ошибки. Концепция была смелой, но опередила время – подобные системы высокой надежности реально появились только через три десятилетия.

На практике BINAC часто выходил из строя. Он был собран в единственном экземпляре для Northrop Aircraft, и достоверно неизвестно, работал ли он после установки – скорее всего, нет. Убытки составили почти 200 тыс. долларов. Одной из причин неудачи было то, что создателей из соображений секретности не допустили к машине после поставки, а инженеры заказчика не смогли с ней справиться. Этот опыт стал уроком: сопровождение компьютеров должно было входить в обязательные обязанности – сначала в EMCC, а затем и во всей отрасли.

UNIVAC I

После краха BINAC команда EMCC, насчитывавшая всего 12 человек, приступила к работе над UNIVAC I. Однако и этот проект оказался под угрозой: в авиакатастрофе погиб главный инвестор, Гарри Страус, глава American Totalisator Company, инженер, создававший электромеханические системы для тотализаторов с конца 1930-х годов. Он был готов инвестировать более 1 млн долларов. После его гибели преемники отказались поддерживать проект, и 1 февраля 1950 года Моукли и Эккерт продали EMCC корпорации Remington Rand, что позволило продолжить разработку UNIVAC I.

UNIVAC I стал прямым наследником EDVAC, который все еще оставался исследовательской машиной. В EDVAC впервые реализовали идею хранимой программы, но она имела маленький объем памяти и оставалась медленной. Ввод данных происходил через перфокарты или вручную через переключатели, других устройств ввода/вывода не было – EDVAC был прототипом, проверкой возможности работы компьютера.

UNIVAC I задумывался как практическая, коммерческая машина. Он унаследовал основные черты EDVAC, включая память на ртутных трубках, но был адаптирован для реального мира:

• увеличена память;

• добавлены магнитные ленты для хранения больших объемов данных;

• появилось удобное программирование через перфоленты и ассемблер;

• расширены возможности ввода/вывода – консоль, телетайп, позже принтер.

• Технические характеристики UNIVAC I

• 5 200 электронных ламп,

• вес 13 тонн,

• потребление 125 кВт,

• частота 2,25 МГц,

• сложение – 120 мкс, умножение – 1800 мкс, деление – 3600 мкс,

• память – 1 000 слов по 72 бита на ртутных линиях задержки,

• команда – 2 слова по 36 бит,

• ввод/вывод – восемь магнитофонов, консоль, телетайп, позже – принтер.

Первоначально в UNIVAC I не было перфокарт из-за патентов IBM, но позже Remington Rand разработала 90-колоночную альтернативу. Числа кодировались в двоично-десятичной системе Excess-3, что облегчало работу с отрицательными значениями. Всего было произведено 46 машин, стоимость каждой – около 1,5 млн долларов.

UNIVAC I на выборах 1952 года

UNIVAC I прославился на президентских выборах в США 1952 года, где соперничали Дуайт Эйзенхауэр и Эдлай Стивенсон. В порядке эксперимента телевизионная компания CBS привлекла машину для поогноза результатов. Программу для обработки данных написала Грейс Хоппер, будущий контр-адмирал ВМС США и один из пионеров программирования.

Машина смогла рассчитать распределение выборщиков на основе всего лишь 1 % поступивших данных: примерно 438 за Эйзенхауэра против 93 за Стивенсона. Прогноз выглядел неожиданно – редакторы CBS сначала не решились объявить его в эфире. Итог оказался почти точным: 442 к 89 голосам выборщиков. Эта демонстрация превратила UNIVAC в символ надежности и современности, открыв путь к использованию компьютеров в бизнесе и статистике.

UNIVAC II и последующие модели

В 1958 году вышел UNIVAC II, промежуточная версия между UNIVAC I и будущими моделями. Идея оставалась прежней, но машина стала быстрее и надежнее, она сохранила совместимость с программами UNIVAC I, а архитектура во многом соответствовала IAS фон Неймана. Основные новшества: повышение производительности, надежности и улучшение устройств ввода/вывода.

UNIVAC II по-прежнему использовал ртутные линии задержки, переход на память на магнитных сердечниках произошел только с UNIVAC III, что обеспечило увеличение скорости и надежности. Было выпущено около 50–60 машин. Машины UNIVAC II конкурировали с IBM 700-й серии, которая закрепила лидерство на рынке научных и бизнес-вычислений.