История электронных компьютеров

• Electronic – впервые вычисления осуществлялись не механически, а с помощью электронных ламп. Это означало радикальный технологический сдвиг.

• Numerical Integrator – изначально ENIAC проектировался для расчета баллистических таблиц; интегрирование дифференциальных уравнений было ключевой задачей.

• Computer – слово, которое тогда еще чаще обозначало человека, выполняющего вычисления. Название символизировало замену человеческого труда машиной: «мы создаем электронного вычислителя, который выполняет работу человека».

Инженерное открытие сделали Джон Моукли и Преспер Эккерт, но выдающуюся роль в реализации проекта сыграл Герман Гольдштейн. Работая в Баллистическом исследовательском центре армии США, он стал посредником между разработчиками и военными, убедил руководство в стратегической важности ENIAC и обеспечил финансирование. Голдстайн продемонстрировал, что даже гениальные инженеры нуждаются в инфраструктуре и визионерах для воплощения своих идей.

• ENIAC был массивной конструкцией:

• около 18 000 вакуумных ламп;

• площадь около 170 м²;

• потребление энергии до 150 кВт.

При этом машина могла выполнять около 5000 операций сложения в секунду, что в сотни раз превышало скорость электромеханических предшественников. Работа с ENIAC требовала тщательного охлаждения и постоянного обслуживания; температура в зале могла достигать невыносимых уровней.

Особую роль сыграли женщины-программистки – шесть сотрудниц, включая Джин Бартик и Кэй МакНалти. Они разработали методы ручного программирования машины, оперируя сложной системой кабелей и переключателей. Их вклад долго оставался в тени, но без них проект не достиг бы успеха.

ENIAC создавался как инструмент Второй мировой войны для ускорения артиллерийских расчетов. Хотя машина была завершена в 1945 году и продемонстрирована в 1946-м, она оказала колоссальное влияние на дальнейшие разработки:

Технологический прорыв – переход к полностью электронным вычислениям радикально ускорил обработку информации.

• Переходная архитектура – ENIAC не имел хранимой программы, но заложил идею универсальности: машину можно было перепрограммировать для разных задач.

• Ограничения – сложность перепрограммирования и отсутствие хранимой программы стимулировали разработку EDVAC и архитектуры фон Неймана.

• Институциональный эффект – ENIAC показал возможность электронных вычислений, изменив отношение военных, инженеров и ученых к вычислительной технике.

• Социальное значение – женщины-программистки ENIAC положили начало истории женского участия в программной инженерии.

ENIAC не был компьютером в полном смысле, но стал мостом к ним. Он доказал практическую возможность электронных вычислений и запустил эпоху дальнейших разработок.

Глава 3. Школа Мура и создание первого электронного компьютера

Феномен Школы Мура: инженерия и наука

Создание первого электронного компьютера с хранимой в памяти программой обычно представляют слишком упрощенно. Устоявшаяся легенда звучит так: «Великий математик Джон фон Нейман предложил схему, которая в дальнейшем получила название архитектура фон Неймана, а инженеры, следуя его гениальному предвидению, построили EDVAC, который стал прототипом всех последующих машин». Этот придуманный сюжет повторяется от книги к книге, хотя реальная история оказалась гораздо сложнее.

Для полноценного понимания происходившего полезно обратиться к системному подходу, разработанному австрийским биологом и философом Людвигом фон Берталанфи. У него «подмоченная репутация» – вступил в нацистскую партию в 1938 году и использовал свои связи с режимом для продвижения академической карьеры. Это не умаляет его научного вклада. Говоря о связи теории и практики он подчеркивал, что инженерная практика и фундаментальная наук должны рассматриваться как части одной большой системы. Он писал: «Практика рождает новые идеи, а теория помогает создавать еще более совершенные устройства». Такой взгляд позволяет увидеть историю первого компьютера во всей ее полноте.

От стереотипов к реальности

Системному пониманию истории технологий мешают укоренившиеся стереотипы. Мы привыкли считать, что теория всегда предшествует практике: сначала ученые открывают законы природы, затем инженеры воплощают их в устройствах. Часто в качестве образца приводят ядерную физику: исследователи изучили процессы деления атома – и лишь после этого появились реакторы и атомное оружие.

Такая схема прочно закрепилась и в представлениях о вычислительной технике. Архитектура фон Неймана нередко подается как исходная теоретическая модель, из которой выросли все последующие компьютеры. Однако реальная история развития вычислений была куда менее линейной и значительно более взаимной: практика нередко опережала теорию, а инженерные решения появлялись раньше их строгого концептуального осмысления.

Не только в компьютинге во множестве случаев технические решения появлялись раньше науки, способной их объяснить. Паровая машина была создана задолго до того, как возникла термодинамика. Двухколенный велосипед, изобретенный Луи и Пьером Мишо в 1860-е годы, получил объяснение своей устойчивости лишь через столетие. Аналогично с первым компьютером: инженеры Джон Моукли и Преспер Эккерт разработали схему EDVAC, исходя из опыта создания экспериментального ENIAC. Только затем Джон фон Нейман увидел их проект, переосмыслил его и предложил свое описание принципов работы машины.

Здесь проявляется принципиальное отличие компьютерных наук от естественных. Естественные науки исследуют то, что существует независимо от человека. Компьютерные науки создают искусственные объекты. Сначала появляется артефакт, а теория объясняет и обобщает его. Иногда практика порождает собственные науки – теорию алгоритмов, теорию вычислимости и, позднее, целые направления в искусственном интеллекте, включая машинное обучение, компьютерное зрение и обработку естественного языка. Эти дисциплины не могли возникнуть до появления самих вычислительных машин.

Цикл науки, инженерии и менеджмента

На протяжении десятилетий приоритет в развитии вычислительной техники то переходил к инженерам, то возвращался к ученым. Архитектура x86 является примером чисто инженерного продукта. Решения в ней диктовались практическими соображениями, а теория лишь постфактум анализировала и объясняла эти решения. Новая архитектура RISC, наоборот, возникла в университетских лабораториях: сначала это была научная идея, а позже она воплотилась в инженерные решения. Иногда наука подключалась к существующей технологии и «оборачивала» ее в формализм. Так произошло с системами управления базами данных: сначала создавались утилитарные решения, а затем вокруг них сформировалась теория реляционной алгебры с доказательствами корректности.

Нельзя забывать и третью силу – менеджеров, которые создают условия для реализации технических и научных идей. В истории ENIAC и EDVAC такую роль сыграл Герман Гольдштейн, который обеспечил проект ресурсами, связями и защитой от бюрократии. Позднее аналогичную функцию выполняли лидеры вроде Стива Джобса. Он не создавал технических новшеств сам, но превращал инженерные находки и дизайнерские идеи в продукты, определявшие направление всей отрасли.

Школа Мура воплощала гармоничный союз инженеров, ученых и менеджеров. Здесь роли распределялись гибко, по историческому ритму: сначала ведет техника, затем ее осмысляет наука, потом снова наступает черед инженерии, а менеджеры все это время создают среду для циклического развития и реализации идей.

Роль Школы Мура: случайность или закономерность?

Эта смена ритмов хорошо согласуется с концепцией Томаса Куна. Американский философ науки в книге «Структура научных революций» ввел ключевое понятие – парадигма. По его мысли, развитие науки и техники идет не плавно и не линейно, а скачками: старая парадигма исчерпывает себя, и ее место занимает новая. Новые идеи рождаются не как внезапное озарение отдельного гения, а как ответ среды, где уже накопились все предпосылки.

История техники подтверждает эту логику. Изучая путь телеграфа, телефона, радио, автомобиля или самолета, мы видим, что близкие идеи появляются параллельно в разных странах и у разных людей. Иногда «точка кипения» наступает чуть раньше в одном месте – и тогда приоритет очевиден. Если же несколько претендентов приходят к решению почти одновременно, это оборачивается многолетними спорами и патентными тяжбами.

Тем ярче выглядят такие редкие исключения, когда вперед вырывается одна единственная локальная группа энтузиастов и у нее нет конкурентов. Так случилось в начале 1940-х годов в Школе Мура: здесь был создан первый электронный цифровой компьютер ENIAC, а затем сформулированы архитектурные принципы EDVAC – прямого предшественника всех современных универсальных машин.

Почему же именно Школа Мура оказалась лидером, а не такие авторитетные центры, как MIT, Кембридж или промышленный гигант IBM? Однозначного ответа нет, но можно выделить несколько факторов. Во-первых, относительная свобода от академических догм. Пенсильванский университет не имел такой громоздкой иерархии и административного давления, как более престижные университеты. Это открывало дорогу дерзким замыслам, которые в MIT могли показаться слишком рискованными, а в IBM – подрывающими устоявшийся бизнес.

Во-вторых, военный заказ. Армии США срочно требовались быстрые баллистические расчеты, и это обеспечило проект ресурсами, которых не было у университетских энтузиастов и которые были немыслимы в частной индустрии без военного давления.

В-третьих, важен был предыдущий опыт. Работа с дифференциальным анализатором показала инженерам пределы аналоговых методов. На фоне этого осознания цифровой подход выглядел не просто экспериментом, а реальным выходом из тупика.

В-четвертых, уникальная команда. Моукли с инженерным воображением, Эккерт с практическими решениями, Гольдштейн с организацией и связями, а затем фон Нейман, который придал происходящему интеллектуальную рамку. Подобное сочетание редко встречается в одном месте и в одно время.

Для сравнения: MIT в это время оставался в русле аналоговых систем, IBM продолжала совершенствовать электромеханику и не решалась на радикальный переход, а в Великобритании Colossus, хотя и стал электронным прорывом, был строго секретным и узким по применению. Универсальной машины там не возникло именно из-за секретности и сосредоточенности на узкой военной задаче.

Школа Мура стала примером того, как свобода, инициатива и военное финансирование сошлись в одной точке. Но такие центры не вечны. Как только первоначальная цель достигнута, начинается нормализация: структура бюрократизируется, творческая энергия уходит вместе с людьми, и место пионеров занимают администраторы. Это не исключение, а правило. Так случилось и со Школой Мура после завершения проектов ENIAC и EDVAC. Похожие процессы можно увидеть и в других примерах – например, в Xerox PARC, где в 1970-х появились графический интерфейс, мышь, Ethernet и объектно-ориентированное программирование, но уже в 1980-е годы центр утратил свою уникальность.

Основанная в 1923 году по завещанию Альфреда Фитлера Школа Мура, школа быстро стала центром передовых исследований. Заслуга ее директора Гарольд Пендера в создании благоприятной среду, в которой удалось успешно реализовать идею электронного компьютера. А проведенные по его инициативе летние лекции 1946 года (Moore School Lectures) способствовали передаче знания о проектировании компьютеров и стали катализатором последующих проектов по всему миру. Случившееся в Школе Мура показало, что технологическая революция результат редкого в истории резонанса, когда на стыке науки, практики и личностей рождается новое.

Путь к ENIVAC

В годы Второй мировой войны Школа Мура стала уникальным местом: здесь впервые в истории сошлись военная необходимость и амбиции пионеров цифрового века. Присущая школе ориентация на прикладные задачи оказалась особенно востребованной, когда потребовалось создавать новые вычислительные средства в условиях войны.

В 1942 гоу. Армия США столкнулась с лавинообразным ростом потребности в расчетах баллистических таблиц для новых типов артиллерийских орудий, по этим таблицам артиллеристы подбирали необходимые параметры выстрела. Прежний метод расчета – ручной труд «людей-компьютеров», главным образом женщин, среди которых были будущие программистки ENIAC, – оказался бессилен перед требуемыми сроками и объемами.

Военные обратились за помощью именно в Школу Мура, поскольку здесь еще в 1935 году был построен дифференциальный анализатор – крупнейший механический вычислитель своего времени, применявшийся для расчетов в самых разных областях науки и техники. Созданный по проекту Ванневара Буша, он был настоящим техническим шедевром, но для баллистических нужд оказался слишком медленным и, как любое сложное механическое устройство, капризным.

К этому времени в Школе уже работал Джон Моукли. Он давно задумывался об электронике как об альтернативе механике и в нужный момент представил доклад 1942 года «A Note on the Use of Vacuum Tubes for Computation». В нем он предложил не что-то радикально новое, а электронную версию дифференциального анализатора. Воплотить эту идею не удалось, и от прямого воспроизведения механики вскоре отказались, но этот замысел стал спусковым механизмом будущих событий.

Эта неудача свела Моукли с 23-летним Преспером Эккертом – одержимым инженером, известным своей маниакальной тягой к точности и надежности. Так возник тандем, которому предстояло войти в историю: Эккерт – рационалист, не выпускающий из рук паяльника, и Моукли – мечтатель, мыслящий образами. Вместе они смогли создать то, что было бы не под силу каждому из них поодиночке. Вскоре они сосредоточили свои усилия на принципиально новом решении, альтернативном дифференциальному анализатору.

В этой истории появился и еще один важный персонаж, сыгравший неоднозначную, но судьбоносную роль. Лейтенант Герман Гольдштейн, представитель армейской лаборатории в Абердине, на первых порах стал верным союзником Моукли и Эккерта. Как математик, он быстро понял масштаб их замысла и взял на себя функции посредника между Школой Мура и армейским командованием. Сделал он это блестяще: именно благодаря его усилиям в 1943 году было подписано соглашение на сумму шестьдесят одна тысяча семьсот долларов. Эта сумма, скромная по меркам военных заказов, дала проекту старт. Машина получила кодовое имя ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Контракт обязывал к строгим срокам, отчетности и армейскому контролю, но при этом управление проектом оставалось за Школой Мура и ее деканом Гарольдом Пендером.

Таймлайн ENIAC – первого в мире универсального электронного компьютера общего назначения – от замысла до снятия с эксплуатации:

• 1942 – физик Джон Моукли предлагает идею электронного дифференциального интегратора.

• Начало 1943 – у Моукли совместно с Преспером Эккертом складывается первое представление о будущей машине.

• Май 1943 – официальное одобрение проекта армией США, решение о финансировании через Бюро баллистики для расчетов артиллерийских таблиц.

• Июнь 1943 – начало работ в Университете Пенсильвании, Moore School of Electrical Engineering, под руководством Джона Моукли и Преспера Эккерта.

• 1944 – изготовление и тестирование компонентов.

• Осень 1945 – завершение физической сборки.

• 10 декабря 1945 – ENIAC полностью закончен.

• 14 февраля 1946 – официальная презентация ENIAC в Филадельфии. Проект вызвал огромный резонанс в научной и военной среде.

• 1946 – ENIAC передан Армии США и установлен в Абердинском испытательном полигоне, штат Мэриленд.

• Использовался для баллистических расчетов, ядерных симуляций в рамках проекта по водородной бомбе, криптоанализа и научных задач.

• 1948 – модифицирован механизм хранения программ, приближение к схеме фон Неймана.

• 2 октября 1955 – ENIAC официально выведен из эксплуатации.

Создание ENIAC

ENIAC представлял собой сложнейший инженерный комплекс. Построить его в 1940-х годах, когда электронная техника только зарождалась, было настоящим подвигом. Поразительно, что собственными силами сотрудников Школы Мура в подвале университета удалось собрать «монстр», состоявший из сорока отдельных шкафов с электроникой, каждый весом примерно шестьсот килограммов. Шкафы были модульными и выполняли разные функции: арифметические операции, управление программой, ввод и вывод данных и другие задачи. Каждый шкаф имел собственную систему охлаждения – встроенные вентиляторы для отвода тепла от ламп.

Набольшую техническую проблему составлял низкая надежность электронных ламп. А их было около восемнадцати тысяч, на них строилась вся логика и управление машиной. Они потребляли около сто пятидесяти киловатт, что создавало серьезные проблемы с охлаждением и питанием. Преспер Эккерт предложил простое, но эффективное решение: поскольку лампы не выполняли предусмотренное для них усиление сигналов, а использовались исключительно для логических функций, оказалось возможным понизить напряжение на нитях накаливания. Кроме того, в команде работали специалисты, которые проводили диагностику и меняли лампы «на лету». Благодаря этому, несмотря на сложность машины, удалось довести средний срок наработки всей машины на отказ до десяти – пятнадцати часов.

К моменту завершения работы над машиной война уже подходила к концу, и возникли новые приоритеты. Первым практическим применением ENIAC стало моделирование ядерного взрыва. Прежде такие расчеты занимали бы месяцы ручной работы, а машина справилась за сорок восемь часов непрерывной работы.

Несовершенство «первого блина» было очевидно как с точки зрения эксплуатации, так и еще более с точки зрения способа задания условий решаемой задачи. Сегодня мы называем это действием программированием, но тогда такого понятия не существовало. Текста программы как такового не было: программирование ENIAC являлось физическим процессом, состоявшим из ручной коммутации кабелей и установки в нужные позиции переключателей. До идеи программы, состоящей из последовательности команд, Джон Моукли и Преспер Эккерт еще просто не дошли.

Нам это может показаться странным, однако, размышляя об ENIAC, следует избегать снисходительного отношения к прошлому – того, что по-английски называют hindsight bias, или эффектом поздней очевидности – когнитивное искажение, при котором после того, как событие произошло или информация стала известна, прошлое кажется очевидным и предсказуемым, хотя до этого момента результат было трудно или невозможно предугадать.

Об этом эффекте важно помнить, говоря о Джоне Моукли и Преспере Эккерте. Пока другие сомневались, они действовали. Пока остальные обсуждали теорию и спорили о машине Тьюринга, они «на коленке» собрали машину, которая изменила ход истории. Без них история компьютинга пошла бы другим путем – каким, не нам гадать. И, что самое главное, они сами обнаружили врожденные слабости своей машины и компенсировали их в следующем проекте – EDVAC.

Великий дуэт

Джон Моукли родился в семье ученого-физика Себастьяна Моукли. Его предки эмигрировали из Швейцарии, а необычная фамилия является результатом языковой адаптации немецкоязычной формы к американской среде. Имя читается и как Мокли, и Мочли.

С детства Джон проявлял тягу к знаниям и увлекался изобретениями. Первым из них был контактный датчик на ступенях лестницы, ведущей в детскую. Он включал сигнальную лампочку, когда мать поднималась проверить, спит ли ребенок, и позволял Джону успеть выключить свет и спрятать книгу.

Преподавание и наука в те годы не были доходным делом, поэтому отец порекомендовал более практичное инженерное образование, особенно актуальное после окончания Первой мировой войны. Джон согласился и без труда получил стипендию в Университете Джона Хопкинса в Балтиморе. Однако после двух лет учебы он разочаровался в инженерии. В письмах отцу он сравнивал работу инженера с работой повара: оба действуют по книгам, содержащим рецепты (cookbook). Позже Джон осознал ошибку – он стал великим инженером-творцом. Продолжив обучение, он переключился на физику и добился заметных успехов, а в двадцать пять лет получил степень Ph.D.

Вскоре Джон обзавелся семьей и двумя детьми. Сочетание эрудиции, глубоких знаний и незаурядной внешности позволило ему стать одним из лучших молодых преподавателей в Ursinus College в Пенсильвании, известном своими либеральными взглядами на образование. Его «коронной» лекцией была научно-популярная рождественская демонстрация, на которой он показывал действие законов физики на эффектных опытах, придуманных им самим. Однажды он вызвал фурор, выехав на сцену на роликовых коньках в русском костюме. Затем он сделал волчок и продемонстрировал, как угловая скорость увеличивается, если исполнитель сжимается.

Научным увлечением Моукли стало применение расчетных методов в метеорологии. Это возникло в связи с появлением подходов к численному моделированию атмосферных процессов в конце XIX века. Не видя перспектив в существующих средствах, Джон задумался о создании альтернативных. В письмах он писал о своем непреодолимом упрямстве в стремлении к цели. Окружающие называли его underdog. Этот термин, часто переводимый как «аутсайдер» или «неудачник», точнее обозначает «темную лошадку», способную на неожиданные поступки. Жизнь показала, что Моукли оказался underdog именно в этом смысле – как Давид, победивший Голиафа.

Преспер Эккерт, известный как Прес, родился в Филадельфии в состоятельной семье застройщика и владельца недвижимости. Ему было предопределено получить образование, связанное с бизнесом, и войти в высшее общество. Однако природное дарование изменило этот путь. С пяти лет он увлекался радио. В двенадцать лет он победил на городском научном конкурсе, а затем строил самые разнообразные электронные приборы, включая музыкальную систему для местного крематория. В детстве он любил забавные поделки. Венцом его творчества стал шуточный прибор для измерения страстности поцелуев с индикаторной панелью из десяти лампочек.

Сначала Эккерт учился в местной привилегированной бизнес-школе. Не выдержав ее атмосферы, он перешел в Электротехническую школу Мура (Moore School of Electrical Engineering), позже слившуюся с Пенсильванским университетом. В то время школа считалась вторым по уровню подготовки техническим учебным заведением после Массачусетского технологического института. Выбор не в пользу MIT, вероятно, объясняется нежеланием переезжать в Бостон и жить в кампусе. Прес плохо ориентировался в формальностях повседневной жизни. Однокурсница вспоминала, что на вопрос, почему он всегда ходит в белой рубашке и черном галстуке, он ответил: «Я не знаю, это мне дает мама каждое утро».

После окончания школы в 1940 году Эккерт получает свой первый патент. Дальнейшая его деятельность связана с выполнением военных заказов в области радиолокации, где ему пришлось использовать один из немногих дифференциальных анализаторов конструкции Ванневара Буша. Летом 1941 года он участвовал в американской программе «Инженерное дело, наука и военное управление», организованной Министерством обороны. Именно там он познакомился с Джоном Моукли, который тоже перешел на работу в Школу Мура к аналоговым устройствам.

Так возник великий дуэт, которому предстояло изменить ход истории вычислительной техники. Моукли и Эккерт объединили свои таланты: рационализм и педантичность одного – с мечтательностью и изобретательностью другого, создав команду, способную решать задачи, которые поодиночке были бы непосильны.

Первый электронный компьютер

Если быть точным, то ABC следует признать первым электронным счетным устройством, однако компьютером в полном смысле слова оно не было. Тот факт, что в 1941 году Джон Моукли посетил Джона Атанасова в Университете штата Айова, где Атанасов продемонстрировал ему ABC и использование в ней электронных ламп, дал повод для разговоров о возможном заимствовании. Даже если удается обнаружить элементы «подсмотренного», их нельзя считать нарушением авторского права. Между двумя машинами дистанция колоссальна: ENIAC создавался как универсальный программируемый компьютер, тогда как ABC был лишь специализированной машиной для решения систем линейных уравнений. Сходство ограничивалось использованием ламповых регистров и последовательных схем. Вне всяких сомнений ENIAC по праву можно считать первым электронным компьютером.

Работа над ENIAC началась в августе 1942 года с внутренней служебной записки Джона Моукли «Использование высокоскоростных устройств на вакуумных лампах для вычислений». В ней он утверждал, что электронные схемы могут выполнять вычисления значительно быстрее, чем любые механические или электромеханические устройства. Моукли предлагал использовать электронные узлы для выполнения последовательности операций – сложения, вычитания, умножения и деления. Однако с архитектурной точки зрения проект оставался близок к механическим вычислителям. Поэтому записка стала концептуальным мостом между ними и электронными цифровыми машинами.