Первый черновик отчета по EDVAC (обычно сокращается до Первого черновика ) — неполный 101-страничный документ, написанный Джоном фон Нейманом и распространенный 30 июня 1945 года Германом Голдстайном , офицером безопасности секретного проекта ENIAC . Он содержит первое опубликованное описание логической конструкции компьютера, использующего концепцию хранимой программы , которая стала известна как архитектура фон Неймана ; название стало спорным из-за того, что фон Нейман не назвал других участников.
Фон Нейман написал отчет вручную, пока ехал на поезде в Лос-Аламос, штат Нью-Мексико , и отправил рукописные заметки обратно в Филадельфию . Голдстайн распечатал отчет и сделал копии. Хотя дата напечатанного отчета — 30 июня, 24 копии первого черновика были распространены среди лиц, тесно связанных с проектом EDVAC , пятью днями ранее, 25 июня. Интерес к отчету привел к тому, что его разослали по всему миру; Морис Уилкс из Кембриджского университета назвал свое волнение по поводу содержания отчета стимулом для решения поехать в Соединенные Штаты на лекции в школе Мура летом 1946 года.
Фон Нейман описывает подробную конструкцию «автоматической цифровой вычислительной системы с очень высокой скоростью». Он делит ее на шесть основных подразделений: центральная арифметическая часть, CA; центральная управляющая часть, CC; память, M; ввод, I; вывод, O; и (медленная) внешняя память, R, такая как перфокарты , телетайпная лента , магнитная проволока или стальная лента .
CA будет выполнять сложение, вычитание, умножение, деление и квадратный корень. Другие математические операции, такие как логарифмы и тригонометрические функции, должны выполняться с помощью поиска по таблице и интерполяции , возможно, биквадратной . Он отмечает, что умножение и деление можно выполнять с помощью таблиц логарифмов, но чтобы таблицы были достаточно маленькими, потребуется интерполяция, а это, в свою очередь, потребует умножения, хотя, возможно, и с меньшей точностью.
Числа должны быть представлены в двоичной системе счисления . Он оценивает, что 27 двоичных цифр (он не использовал термин « бит », который был придуман Клодом Шенноном в 1948 году) было бы достаточно (что обеспечивает точность 8 знаков после запятой), но округляет до 30-битных чисел со знаковым битом и битом для различения чисел от порядков, в результате чего получается 32-битное слово, которое он называет второстепенным циклом. Должна использоваться арифметика с дополнением до двух , упрощающая вычитание. Для умножения и деления он предлагает размещать двоичную точку после знакового бита, что означает, что все числа рассматриваются как находящиеся в диапазоне от −1 до +1 [a] , и поэтому вычислительные задачи должны быть масштабированы соответствующим образом.
Вместо реле будут использоваться электронные лампы , поскольку время срабатывания ламп составляет одну микросекунду, а реле — 10 миллисекунд.
Фон Нейман предлагает (раздел 5.6) сохранять компьютер максимально простым, избегая любых попыток улучшить производительность путем перекрытия операций. Арифметические операции должны выполняться по одной двоичной цифре за раз. Он оценивает, что сложение двух двоичных цифр занимает одну микросекунду, и поэтому 30-битное умножение должно занять около 30 2 микросекунд или около одной миллисекунды, что намного быстрее, чем любое вычислительное устройство, доступное в то время.
Конструкция фон Неймана построена с использованием того, что он называет «элементами E», которые основаны на биологическом нейроне в качестве модели, [1] [2], но являются цифровыми устройствами, которые, по его словам, могут быть построены с использованием одной или двух электронных ламп. В современных терминах его простейший элемент E представляет собой двухвходовой вентиль И с одним инвертированным входом (вход запрета). Элементы E с большим количеством входов имеют связанный порог и производят выход, когда количество положительных входных сигналов достигает или превышает порог, при условии, что (единственная) линия запрета не импульсная. Он утверждает, что элементы E с большим количеством входов могут быть построены из простейшей версии, но предлагает строить их непосредственно как схемы электронных ламп, поскольку потребуется меньше ламп.
Из этих элементов E должны быть построены более сложные функциональные блоки. Он показывает, как использовать эти элементы E для построения схем сложения, вычитания, умножения, деления и квадратного корня, а также двух блоков памяти состояний и схем управления. Он не использует терминологию булевой логики .
Схемы должны быть синхронизированы с главным системным тактовым генератором, полученным от генератора на вакуумной лампе , возможно, с кварцевым управлением . Его логические схемы включают символ наконечника стрелки для обозначения единичной задержки времени, поскольку задержки времени должны учитываться в синхронной конструкции. Он указывает, что за одну микросекунду электрический импульс перемещается на 300 метров, так что до гораздо более высоких тактовых частот, например, 10 8 циклов в секунду (100 МГц), длина проводов не будет проблемой.
Необходимость обнаружения и исправления ошибок упоминается, но не конкретизируется.
Ключевой концепцией проектирования, сформулированной и позднее названной архитектурой фон Неймана , является единая память, содержащая как числа (данные), так и приказы (инструкции).
«Устройство требует значительной памяти. Хотя и кажется, что различные части этой памяти должны выполнять функции, которые несколько различаются по своей природе и значительно по своему назначению, тем не менее, возникает соблазн рассматривать всю память как один орган и сделать ее части настолько взаимозаменяемыми, насколько это возможно, для различных функций, перечисленных выше» (Раздел 2.5).
«Приказы, которые получает CC, исходят из M, т. е. из того же места, где хранится числовой материал» (п. 14.0).
Фон Нейман оценивает объем необходимой памяти на основе нескольких классов математических задач, включая обыкновенные и частные дифференциальные уравнения , сортировку и вероятностные эксперименты . Из них частные дифференциальные уравнения в двух измерениях плюс время потребуют наибольшего объема памяти, а три измерения плюс время выходят за рамки того, что можно сделать с использованием технологий, которые были доступны в то время. Он приходит к выводу, что память будет крупнейшим подразделением системы, и предлагает 8192 второстепенных цикла (слова) по 32 бита в качестве цели проектирования, при этом 2048 второстепенных циклов все еще будут полезны. Он оценивает, что для хранения программы будет достаточно нескольких сотен второстепенных циклов.
Он предлагает два типа быстрой памяти: линию задержки и иконоскопическую трубку. Каждый младший цикл должен быть адресован как единица (адресация слов, раздел 12.8). Инструкции должны выполняться последовательно, со специальной инструкцией для переключения на другую точку в памяти (т. е. инструкция перехода).
Двоичные цифры в памяти линии задержки проходят через линию и возвращаются в начало. Доступ к данным в линии задержки налагает штраф времени на ожидание, пока нужные данные снова появятся. Проанализировав эти проблемы синхронизации, он предлагает организовать память линии задержки в 256 «органов» линии задержки (DLA), каждый из которых хранит 1024 бита, или 32 второстепенных цикла, называемых главным циклом. При доступе к памяти сначала выбирается DLA (8 бит), а затем второстепенный цикл в DLA (5 бит), что в общей сложности дает 13 адресных бит.
Для памяти иконоскопа он осознает, что каждая точка сканирования на поверхности трубки является конденсатором, а конденсатор может хранить один бит. Потребуется очень высокая точность сканирования, а память будет существовать только короткое время, возможно, всего секунду, и поэтому ее нужно будет периодически перекопировать ( обновлять ).
В разделе 14.1 фон Нейман предлагает формат для заказов, который он называет кодом. Типы заказов включают основные арифметические операции, перемещение второстепенных циклов между CA и M (загрузка и сохранение слов в современных терминах), заказ ( s ), который выбирает одно из двух чисел на основе знака предыдущей операции, ввод и вывод и перенос CC в другое место памяти (скачок). Он определяет количество бит, необходимое для различных типов заказов, предлагает немедленные заказы , где следующее слово является операндом, и обсуждает желательность оставления запасных бит в формате заказа, чтобы обеспечить больше адресуемой памяти в будущем, а также другие неуказанные цели. Обсуждается возможность сохранения более одного заказа в второстепенном цикле, с небольшим энтузиазмом по поводу такого подхода. Предоставляется таблица заказов, но в первый черновик не было включено обсуждение инструкций ввода и вывода.
Выпуск и распространение отчета стали источником ожесточенной вражды между фракциями команды разработчиков EDVAC по двум причинам. [3] Во-первых, отчет позже был признан публичным раскрытием информации, которое произошло более чем за год до подачи заявки на патент EDVAC, тем самым сделав окончательный патент недействительным; во-вторых, некоторые из команды разработчиков EDVAC утверждали, что концепция хранимой программы возникла на встречах в Школе электротехники Мура Пенсильванского университета, предшествовавших деятельности фон Неймана в качестве консультанта, и что большая часть работы, представленной в Первом черновике, была не более чем переводом обсуждаемых концепций на язык формальной логики , которым фон Нейман свободно владел. Следовательно, неспособность фон Неймана и Голдстайна указать других в качестве авторов в Первом черновике привела к тому, что заслуга была приписана только фон Нейману. (См. Эффект Матфея и закон Стиглера .)