“ВОПЛОЩЕНИЕ ИДЕЙ”

Юрий Полунов

Сначала восходят к аксиомам,
а затем спускаются к практике.

Ф. Бэкон

В Институте перспективных исследований в 1946 г. параллельно с решением финансовых проблем и подготовкой “Предварительного обсуждения…” (см. "Продолжение следует...") фон Нейман приступил к формированию команды разработчиков новой машины.

Джулиан Хаймли Бигелоу

В июне по совету Норберта Винера на должность главного инженера проекта РЕС был приглашен Джулиан Хаймли Бигелоу (Julian Himely Bigelow, 1913—2003). Он окончил Массачусетский технологический институт, получив дипломы электротехника и математика, и в годы войны вместе с Винером разрабатывал прибор управления артиллерийским зенитным огнем1. “Нам очень повезло с главным инженером проекта…— писал впоследствии Г. Голдстайн. — У него были провидческие (visionary) идеи в области схемотехники и интеллектуальное упорство при реализации этих идей. Весьма сомнительно, чтобы без его лидерства наша вычислительная машина стала бы реальностью. Все сотрудники относились к нему с огромным уважением и любовью — и как к инженеру, и как к человеку”. Это подтверждает и рядовой сотрудник Хьюит Крейн (Hewitt Crane): “Он был полностью поглощен инженерными проблемами, с которыми мы столкнулись, и всегда выглядел как маленький ребенок с неизменной улыбкой на лице”.

В первое время под началом Бигелоу работали два специалиста по импульсной технике — Джеймс М. Померен (James M. Pomerene) и Уиллис Г. Веэ (Willis H. Ware), ранее занимавшиеся созданием радарного оборудования в корпорации Hazeltine Electronics, а также Ральф Дж. Слуц (Ralph J. Slutz) из Принстонского университета. Несколько позднее ряды разработчиков пополнили Джеральд Эстрин (Gerald Estrin), пришедший из Висконсинского университета, Сунг Уен Вонг (Sung Yuen Wong), Норманн Филипс (Norman Phillips), Ганс Дж. Мэли (Hans J. Maehly), Джек Розенберг (Jack Rosеnberg) и др. Когда в августе 1951 г. Бигелоу, посчитав свою миссию выполненной, ушел на работу в Фонд Гуггенхайма, его сменил на посту главного инженера Дж. Померен, который (по свидетельству Голдстайна) “проявил прекрасные менеджерские способности, а также блестяще разработал несколько важных блоков машины”.

Разработчики ЭВМ IAS
(слева направо: Нейман, Бигелоу,
Померен, Голдстайн)

Как нередко случается, теория намного опережала практику. Бигелоу вспоминал: “В 1946 г. IAS не имел оборудования, необходимого для разработки вычислительной машины — у нас лишь были книги, мозги, престиж, большие надежды и такие личности, как фон Нейман и Голдстайн (Артур Бёркс вернулся в Мичиганский университет примерно в сентябре этого года)… Мы занимались тем, что читали “Предварительное обсуждение…” и часто спорили друг с другом, а также с Джонни и Германом… Общение с Джонни было легким и приятным, оно нередко сопровождалось добрым юмором, анекдотами и лимериками… Можно довольно точно определить временной интервал с июня 1946 по июнь 1947 гг. как период организации и проникновения в сущность стоящих перед нами технических проблем, так как фактическим конструированием мы не занимались”. К этому надо добавить, что “команда Бигелоу” не имела своего постоянного места в институте: только весной 1947 г. было построено небольшое здание, в котором и расположилась лаборатория ВТ.

Позаимствовав на время у военных контрольно-измерительное оборудование и прочий инструментарий, сотрудники лаборатории приступили к распайке и испытаниям электронных схем, из которых предполагалось сконструировать АУ и другие блоки машины. Бигелоу писал: “Мы все трудились напряженно и самоотверженно, потому что верили и знали: то же самое происходит еще в нескольких аналогичных научных центрах, и были счастливы участвовать в этом процессе. Мы верили в свои силы, потому что фон Нейман очистил наши умы от паутины так, как никто другой не смог бы этого сделать. Приливные волны вычислительной мощи были готовы разбить и затопить все в науке и вокруг нее… Джонни предпочитал еженедельно выслушивать в своем кабинете отчеты наших инженеров о ходе работы (очень часто их делал я), но один раз в несколько месяцев заходил в лабораторию взглянуть на то, что нами сделано. Он не только задавал испытующие вопросы, глубоко вникая в наши проблемы, но и сам предлагал некоторые решения”.

Мягкий и бесконфликтный человек, Бигелоу был непреклонен в отстаивании своих технических решений и не боялся брать на себя ответственность, если был уверен в них. Так, он убедил фон Неймана и Голдстайна, что в отличие от ранее созданных ЭВМ и вопреки рекомендациям, содержавшимся в “Первом варианте…” и в “Предварительном обсуждении…”, в новой машине должен использоваться асинхронный принцип управления, при котором длительность операций определялась не рабочим тактом, а реальным временем, затрачиваемым на их выполнение. При этом УУ инициировало начало следующей операции только после поступления сигнала об окончании предыдущей. Иначе говоря, асинхронные ЭВМ, впоследствии широко распространившиеся, работают с переменным (“плавающим”) тактом, что позволяет добиться большей (в среднем) производительности и обеспечить дополнительный контроль (если в течение определенного времени сигнал об окончании очередной операции не поступает, машина останавливается).

Фон Нейман у ЭВМ IAS

Первый значительный результат Бигелоу и его коллеги получили в июне 1948 г., когда было успешно испытано асинхронное 40-разрядное АУ. Но разработка запоминающих устройств застопорилась. Примерно год инженеры бились над созданием ВЗУ на магнитной проволоке, но сконструировать надежное устройство так и не удалось, и в начале 1948 г. от него решили отказаться. Вместо этого в первой половине того же года был разработан накопитель на магнитном барабане емкостью 2048 слов и временем выборки около 14 мс.

Еще сложнее обстояло дело с оперативной памятью. Трубка Райхмана2 работала неустойчиво, могла хранить максимум 256 разрядов и оказалась слишком технологически сложной (и, следовательно, дорогой). К счастью, ей нашлась удачная замена. Весной 1948 г. в печати появились сообщения об устройстве хранения информации, построенном в Манчестерском университете на стандартной электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), дополненной внешним устройством считывания информации с ее экрана (истории создания этой так называемой “трубки Уильямса” будет посвящена отдельная статья).

В июне британские коллеги прислали Бигелоу копию отчета о своей разработке, и в следующем месяце он отправился в Манчестер, чтобы обсудить с Фредериком Уильямсом и Томасом Килбёрном возможность использования сорока трубок в принстонской машине. Одновременно Померен, пользуясь манчестерским отчетом, воспроизвел и испытал в институте экспериментальную трубку Уильямса на 16 разрядов. Потребовалось, однако, около года, чтобы из сотен ЭЛТ, производимых корпорацией RCA, с помощью специальных тестов отобрать наиболее надежные экземпляры, научиться защищать их от электромагнитных наводок посредством использования металлического экрана и т. д. Работы шли параллельно в Принстоне и Иллинойском университете, и совместными усилиями к июлю 1949 г. трубку “заставили” хранить 1024 разряда3 при времени обращения около 30 мкс.

ЭВМ JONNIAC

“Осенью того же года, — вспоминал Бигелоу, — люди, занимавшиеся схемотехникой и логикой управления (включая меня самого), прилагали усилия, чтобы “поженить” память и арифметическое устройство, заставив их работать в соответствии с командными кодами. Это был смешанный брак, так как арифметической устройство было асинхронным… а информацию, хранившуюся в трубке, необходимо было периодически считывать и регенерировать, ибо в противном случае она была бы потеряна”.

“Свадьба” состоялась в январе 1950 г., за ней последовала отработка устройств ввода и вывода (эксперименты производились с телетайпами и перфокарточным оборудованием IBM и закончились в пользу последнего), интенсивные тестовые прогоны программ, и лишь весной следующего года машину, названную по имени института IAS, отдали в распоряжение институтских и “пришлых” программистов. “Летом 1951 г., — рассказывал Бигелоу, — группа ученых из Лос-Аламоса выполнила на IAS большие вычисления, связанные с термоядерными процессами. Она работала непрерывно по 24 часа в сутки в течение почти 60 дней, многие промежуточные результаты проверялись повторной прогонкой программ, и за все это время было обнаружено не более полдюжины ошибок”.

IAS была одноадресной машиной с естественным управлением операциями; она содержала примерно 2500 электронных ламп и оперировала 39-разрядными двоичными числами с фиксированной запятой (еще один разряд использовался для представления знака числа). Командный набор состоял из 44 команд, причем в машинном слове помещалось две команды: в восьми разрядах каждой из них содержался код операции, в 12 разрядах — адрес операнда в памяти. Помимо регистров, перечисленных в предыдущей статье (см. PCWeek/RE №23/2006, c.36), в состав оборудования машины входили регистр множителя-частного (Multiplier-Quotient, MQ), содержавший операнды и результат операции умножения и деления, и накопитель на магнитном барабане. Время выполнения операций (исключая время выборки из памяти) характеризовалось следующими значениями: сложение — 31 мкс, умножение — 0,62 мс, деление — 0,92 мс. Машина весила около 400 кг и потребляла 28 кВт.

Официальное представление IAS состоялось только 10 июня 1952 г., уже после того, как в других организациях было введено в действие несколько машин, повторявших ее архитектуру и большинство технических решений. Появление машинных клонов Бигелоу объяснял так: “Одно из условий финансовой поддержки проекта [оборонными агентствами и Комиссией по атомной энергии] заключалось в том, что после завершения разработки каждого блока вычислительной машины мы были обязаны немедленно направлять рабочие чертежи нашей конструкторской группы пяти другим организациям-разработчикам, которые также имели аналогичные, финансируемые государством контракты: в Лос-Аламосскую национальную лабораторию (Los Alamos National Laboratory), Иллинойский университет, Окpиджскую национальную лабораторию (Oak Ridge National Laboratory), Аргонскую национальную лабораторию (Argonne National Laboratory) и корпорацию RAND. В течение первого (или немногим более того) года, это требование дублировать наш продукт в пяти различных центрах добавляло беспокойства команде IAS, особенно потому, что большинство наших адресатов были хорошо организованы, имели прекрасное оборудование и отсутствовавшие у нас возможности. Мы опасались, что любые ошибки в плодах нашего труда будут встречены враждебно или подвергнутся справедливой критике, от которой мы не сможем укрыться. Однако фактически подобные проблемы никогда не возникали, и взаимоотношения со всеми сотрудниками в этих лабораториях были чрезвычайно дружественными и стимулирующими”.

Клоны IAS появились не только в США, но и в Швеции, Израиле, ФРГ, Дании, Австралии, Японии (см. таблицу, где машины представлены в хронологическом порядке их ввода в действие).

В Принстоне же разработкой новых машин больше не занимались, лишь модернизировали IAS, трудившуюся до 1960 г. включительно (установив накопитель на магнитном барабане большей емкости, заменив память на трубках памятью на магнитных сердечниках и т. д.). Постепенно институт покинули создатели исторической ЭВМ. Вслед за Бигелоу (1951 г.) и Веэ (1952-й) ушел в Комиссию по атомной энергии фон Нейман (1954), безвременно скончавшийся от рака через три года; Голдстайн возглавил Математический департамент в Исследовательском центре IBM им. Уотсона в Йорктауне, шт. Нью-Йорк (1955); годом позднее исследовательская лаборатория корпорации в Паукипси пополнилась еще одним выдающимся инженером — Джеймсом Помереном, принявшем впоследствии активное участие в создании вычислительной системы Harvest.

Историческое значение принстонской машины заключается не только в том, что на ней была опробована новая концепция построения ЭВМ, но и в том, что она дала мощный толчок развитию национальных компьютерных индустрий в ряде стран западного мира.

Примечания

1. Блестящий ученый и инженер, Бигелоу оставил свое имя не только в истории ВТ, но и кибернетики, будучи соавтором статьи, заложившей основы этой науки: А. Розенблют, Н. Винер, Дж. Бигелоу “Поведение, целенаправленность и телеология” (“Philosophy of Science”, 1943, v.10, № 1, p. 18—24).

2. Эти трубки впоследствии использовались только в одной машине (JOHNNIAC).

3. То есть в четыре раза меньше, чем планировалось в “Предварительном обсуждении…”.

Из Цикла статей Ю. Полунова "Исторические машины".
Статья опубликована в PCWeek/RE № 25 2006 г.

Статья помещена в музей 17.07.2006 года