Компьютер Атанасова-Берри ( ABC ) был первым автоматическим электронным цифровым компьютером . [1] Ограниченное технологией того времени и исполнением, устройство осталось несколько неясным. Приоритет ABC обсуждается среди историков компьютерных технологий, поскольку он не был ни программируемым , ни полным по Тьюрингу . [2] Традиционно ABC можно считать первым электронным АЛУ ( арифметико-логическим устройством ), которое интегрировано в конструкцию каждого современного процессора.
Его уникальным вкладом было ускорение вычислений, поскольку он первым начал использовать электронные лампы для выполнения арифметических вычислений. До этого более медленные электромеханические методы использовались компьютером Z1 Конрада Цузе и одновременно разработанным Гарвардским Mark I. Первая электронная программируемая цифровая машина, [3] компьютер Colossus, выпускавшийся с 1943 по 1945 год, использовал ту же ламповую технологию, что и ABC.
Задуманная в 1937 году машина была построена профессором математики и физики Колледжа штата Айова Джоном Винсентом Атанасовым при помощи аспиранта Клиффорда Берри . Он был разработан только для решения систем линейных уравнений и был успешно испытан в 1942 году. Однако его механизм хранения промежуточных результатов, устройство записи/считывания бумажных карт, не был усовершенствован, и когда Джон Винсент Атанасов покинул колледж штата Айова для выполнения заданий во время Второй мировой войны. , работы над машиной были прекращены. [4] ABC стал пионером в важных элементах современных вычислений, включая двоичную арифметику и электронные переключающие элементы, [5] но его специализированный характер и отсутствие изменяемой, хранимой программы отличают его от современных компьютеров. В 1990 году компьютер был признан вехой IEEE. [6]
Компьютерные работы Атанасова и Берри не были широко известны до тех пор, пока они не были вновь открыты в 1960-х годах на фоне патентных споров по поводу первого экземпляра электронного компьютера. В то время ENIAC , созданный Джоном Мочли и Дж. Преспером Эккертом , [7] считался первым компьютером в современном понимании, [ нужна ссылка ] , но в 1973 году окружной суд США признал патент ENIAC недействительным и заключил что изобретатели ENIAC заимствовали идею электронного цифрового компьютера от Атанасова. Когда в середине 1970-х годов секретность, окружавшая британскую разработку компьютеров Colossus во время Второй мировой войны, предшествовавших ENIAC, была снята [8] [9] и Colossus был описан на конференции в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико , в Сообщалось , что в июне 1976 года Джон Мочли и Конрад Цузе были изумлены. [10]
Согласно рассказу Атанасова, несколько ключевых принципов компьютера Атанасова-Берри были задуманы в результате внезапного озарения после долгой ночной поездки в Рок-Айленд, штат Иллинойс , зимой 1937–38 годов. Инновации ABC включали электронные вычисления, двоичную арифметику, параллельную обработку , регенеративную конденсаторную память и разделение функций памяти и вычислений. [11] Механическая и логическая конструкция была разработана Атанасовым в течение следующего года. Заявка на грант на создание прототипа концепции была подана в марте 1939 года в отдел агрономии , который также был заинтересован в ускорении вычислений для экономического и исследовательского анализа. 5000 долларов дополнительного финансирования (что эквивалентно 110 000 долларов США в 2023 году) для завершения работы над машиной поступило от некоммерческой исследовательской корпорации Нью -Йорка . [ нужна цитата ]
ABC был построен Атанасовым и Берри в подвале физического корпуса Колледжа штата Айова в 1939–1942 годах. Первоначальные средства были выделены в сентябре, а прототип с 11 трубками был впервые продемонстрирован в октябре 1939 года. Декабрьская демонстрация привела к выделению гранта на строительство полномасштабной машины. [12] [13] ABC был построен и испытан в течение следующих двух лет. Статья в Des Moines Register от 15 января 1941 года объявила ABC «электрической вычислительной машиной» с более чем 300 электронными лампами, которая «вычисляет сложные алгебраические уравнения» (но не давала точного технического описания компьютера). Система весила более семисот фунтов (320 кг). Он содержал примерно 1 милю (1,6 км) провода, 280 электронных ламп с двумя триодами , 31 тиратрон и был размером примерно с письменный стол.
Он не поддавался программированию, что отличает его от более общих машин той же эпохи, таких как Z3 Конрада Цузе 1941 года (или более ранние версии) и компьютеры Colossus 1943–1945 годов. Он также не реализовал архитектуру хранимых программ , впервые реализованную в Manchester Baby в 1948 году, необходимую для практических вычислительных машин общего назначения.
Однако машина была первой, в которой реализовано:
Память компьютера Атанасова-Берри представляла собой систему, называемую регенеративной конденсаторной памятью , которая состояла из пары барабанов, каждый из которых содержал 1600 конденсаторов , которые вращались на общем валу один раз в секунду. Конденсаторы на каждом барабане были организованы в 32 «полосы» по 50 штук (30 активных полос и две запасные на случай отказа конденсатора), что давало машине скорость 30 сложений/вычитаний в секунду. Данные были представлены в виде 50-битных двоичных чисел с фиксированной запятой . Электроника памяти и арифметических блоков могла хранить и обрабатывать одновременно 60 таких чисел (3000 бит).
Частота сети переменного тока 60 Гц была основной тактовой частотой для операций самого низкого уровня.
Арифметико -логические функции были полностью электронными и реализованы на электронных лампах. Семейство логических вентилей варьировалось от инверторов до вентилей с двумя и тремя входами. Входные и выходные уровни, а также рабочие напряжения различных вентилей были совместимы. Каждый вентиль состоял из одного инвертирующего лампового усилителя, которому предшествовала входная сеть резисторного делителя, определяющая логическую функцию. Логические функции управления, которые должны были срабатывать только один раз за оборот барабана и, следовательно, не требовали электронной скорости, были электромеханическими и реализовывались с помощью реле .
АЛУ оперировало одновременно только одним битом каждого числа ; он сохранял бит переноса/заимствования в конденсаторе для использования в следующем цикле переменного тока. [14]
Хотя компьютер Атанасова-Берри был важным шагом вперед по сравнению с более ранними вычислительными машинами, он не мог полностью автоматически решать всю задачу. Для настройки его функций требовался оператор, который управлял переключателями управления, во многом подобно электромеханическим калькуляторам и записывающему оборудованию того времени. Выбор выполняемой операции, чтения, записи, преобразования из двоичного числа в десятичное или из него или сокращения набора уравнений осуществлялся с помощью переключателей на передней панели и, в некоторых случаях, перемычек.
Существовало две формы ввода и вывода: основной пользовательский ввод и вывод и вывод и ввод промежуточных результатов. Хранение промежуточных результатов позволяло работать над проблемами, слишком большими, чтобы их можно было полностью решить в электронной памяти. (Самая большая проблема, которую можно было решить без использования промежуточных выходных и входных данных, — это два одновременных уравнения , тривиальная задача.)
Промежуточные результаты были двоичными и записывались на листы бумаги путем электростатического изменения сопротивления в 1500 местах, чтобы представить 30 из 50-битных чисел (одно уравнение). Каждый лист можно было написать или прочитать за одну секунду. Надежность системы была ограничена примерно 1 ошибкой на 100 000 расчетов этих подразделений, что в первую очередь связано с отсутствием контроля характеристик материала листов. Оглядываясь назад, можно сказать, что решением могло бы стать добавление бита четности к каждому записанному числу. Эта проблема не была решена к тому времени, когда Атанасов покинул университет ради работы, связанной с войной.
Первичный пользовательский ввод был десятичным, через стандартные перфокарты IBM с 80 столбцами , а вывод был десятичным, через дисплей на передней панели.
Азбука была создана для конкретной цели – решения систем одновременных линейных уравнений. Он мог обрабатывать системы, содержащие до 29 уравнений, что для того времени было сложной задачей. Проблемы такого масштаба становились обычным явлением в физике, отделе, в котором работал Джон Атанасов. В машину можно было ввести два линейных уравнения, содержащих до 29 переменных и постоянный член, и исключить одну из переменных. Этот процесс будет повторяться вручную для каждого из уравнений, в результате чего получится система уравнений с на одну переменную меньше. Затем весь процесс повторялся, чтобы исключить еще одну переменную.
Джордж Снедекор , глава Статистического департамента штата Айова, скорее всего, был первым пользователем электронного цифрового компьютера, решавшим реальные математические задачи. Многие из этих задач он передал Атанасову. [15]
26 июня 1947 года Дж. Преспер Эккерт и Джон Мочли первыми подали заявку на патент на цифровое вычислительное устройство ( ЭНИАК ), к большому удивлению Атанасова. ABC был исследован Джоном Мочли в июне 1941 года, а Исаак Ауэрбах, [16] бывший студент Мочли, утверждал, что это повлияло на его более позднюю работу над ENIAC, хотя Мочли отрицал это. [17] Патент ENIAC не выдавался до 1964 года, а к 1967 году Honeywell подала в суд на Сперри Рэнд в попытке нарушить патенты ENIAC, утверждая, что ABC представляет собой предшествующий уровень техники . Окружной суд США по округу Миннесота вынес свое решение 19 октября 1973 года, установив в деле Honeywell против Сперри Рэнда , что патент ENIAC был производным от изобретения Джона Атанасова.
Кэмпбелл-Келли и Эспрей заключают: [18]
Степень, в которой Мочли опирался на идеи Атанасова, остается неизвестной, а доказательства огромны и противоречивы. ABC была довольно скромной технологией и не была полностью реализована. По крайней мере, мы можем сделать вывод, что Мокли увидел потенциальное значение ABC и что это могло побудить его предложить аналогичное электронное решение.
Дело было юридически разрешено 19 октября 1973 года, когда окружной судья США Эрл Р. Ларсон признал патент ENIAC недействительным, постановив, что ENIAC заимствовал многие основные идеи из компьютера Атанасова-Берри. Судья Ларсон прямо заявил:
Эккерт и Моучли не сами первыми изобрели автоматический электронный цифровой компьютер, а вместо этого заимствовали эту тему у некоего доктора Джона Винсента Атанасова.
Герман Голдстайн , один из первых разработчиков ENIAC, писал: [19]
Атанасов предполагал хранить коэффициенты уравнения в конденсаторах, расположенных на периферии цилиндра. По-видимому, у него был прототип его машины, работавший «в начале 1940 года». Следует подчеркнуть, что эта машина была, вероятно, первым применением электронных ламп для выполнения цифровых вычислений и представляла собой машину специального назначения. Эта машина так и не увидела свет как серьезный инструмент для вычислений, поскольку ее инженерная концепция была несколько преждевременной и ограниченной в логической. Тем не менее, это следует рассматривать как великую новаторскую попытку. Возможно, его главное значение заключалось в том, чтобы повлиять на мышление другого физика, очень интересовавшегося вычислительным процессом, Джона В. Мочли. В период работы Атанасова над своей программой для решения линейных уравнений Мокли учился в Урсинус-колледже, небольшой школе в окрестностях Филадельфии. Каким-то образом он узнал о проекте Атанасова и посетил его на неделю в 1941 году. Во время визита двое мужчин, очевидно, подробно изучили идеи Атанасова. Эта дискуссия оказала большое влияние на Мокли, а через него и на всю историю электронных компьютеров.
Оригинальный ABC был в конце концов разобран в 1948 году, [20] когда университет переоборудовал подвал в классы, и все его части, за исключением одного барабана памяти, были выброшены.
В 1997 году группа исследователей под руководством доктора Делвина Блюма и Джона Густафсона из лаборатории Эймса (расположенной в кампусе Университета штата Айова) завершила создание рабочей копии компьютера Атанасова-Берри стоимостью 350 000 долларов (что эквивалентно 664 000 долларов в 2023 году). ). [21] Реплика ABC была выставлена в вестибюле первого этажа Даремского центра вычислений и коммуникаций Университета штата Айова, а затем была выставлена в Музее истории компьютеров . [22]