Pirmo skaitļotāju un to radītāju ērkšķainais ceļš pie Atzīšanas koka

 

Pirmo skaitļotāju izveidi materiāli atbalstīja pasaules varenāko valstu militārās aprindas, un to aprēķini bija saistīti ar militārajām vajadzībām. Ne velti Pirmais pasaules karš tiek dēvēts par ķīmiķu karu, bet Otrais pasaules karš, kura laikā sākās pirmo skaitļotāju būve, tiek dēvēts par matemātiķu karu. Vēl ilgi pēc Otrā pasaules kara detalizēta informācija par skaitļotāju uzbūvi un to programmēšanu bija pieejama tikai šaurām zinātniskām aprindām, jo skaitļotāji joprojām kalpoja militārajiem resursiem.

 

Pirmie skaitļotāji

Ideja par jaudīgu skaitļotāju izveidi sāka virmot gaisā 1930. gados. 1938. gadā Berlīnē inženieris Konrāds Cūze izveidoja skaitļotāju Z1 skaitļošanas automatizācijai. To nefinansēja militāristi, Cūze arī neesot bijis pazīstams nedz ar Čārlza Bebidža, nedz Alana Tjūringa atklājumiem teorētisko skaitļotāju izstrādē. Aiovas štatā (ASV) 1939. gadā Džons Atanasovs un Klifords Berijs izveidoja pirmo elektronisko lampu skaitļotāju, kurš vēlāk tika nosaukts par ABC (Atanasoff-Berry  Computer).

1940. gadā Anglijā Alans Tjurings un Gordons Velkmans izveidoja Bumbu ― skaitļotāju, kurš spēja atšifrēt vācu ziņojumu kodējamās ierīces Enigma šifrētos ziņojumus. 1941. gadā IBM (International Business Machines) laboratorijās Endikotā (ASV) Hovarda Aikena vadībā tika izveidots skaitļotājs ASCC (Automatic Sequence Controlled Calculator). Informācija par šo skaitļotāju parādījās presē 1944. gada 7. augustā, un tādēļ šis datums tiek uzskatīts par skaitļotāju ēras sākumu. 1943. gadā Anglijā Maksa Ņūmena un Vinna-Viljamsa vadībā tika izveidots Bumbas pēctecis - skaitļotājs Heat Robinson Vācijas kodēto ziņojumu atšifrēšanai. 

1943. gadā Džons Mauklijs un Prespers Ekerts Filadelfijā (ASV) izveidoja analogo skaitļotāju ENIAC (Electronic Numerator, Integrator, Analyzer, and Computer), kuru izmantoja artilērijas šāviņu trajektoriju tabulu veidošanai. 1943. gadā Anglijā Tomija Flovera vadībā tika izveidota jauna elektronu skaitļojamo mašīnu sērija - Robinsona elektonisko skaitļojamo mašīnu sērijas pēctece - Colossus, kurā ar papīra perfolenti varēja ievadīt 5000 zīmes sekundē. Informācija par Otrā pasaules kara laikā izveidotajām elektroniskajām skaitļošanas mašīnām netika publiskota presē vēl ilgi pēc kara beigām. Arī pēc tam radītie skaitļotāji vēl ilgi kalpoja militārajām vajadzībām, tā, piemēram, 1948. gadā Mančestrā (Anglijā) Toma Kilburna radītais skaitļotājs Baby tika izmantots Vācijas slepeno militāro kodu atšifrēšanai. 

 

Tjuringa mašīnas

1935. gadā, vēl studējot Kembridžas karaliskajā koledžā, Tjurings sāka nodarboties ar domājošas mašīnas - mūsdienu datora teorētiska priekšteča - veidošanu. Tieši Alana Tjuringa modelis, tā sauktā Tjuringa mašīna, izskaidroja datora darbības principus un demonstrēja tā loģiskās iespējas vairākus desmitus gadu pirms reāla skaitļotāja izveides. 24 gadu vecumā Tjurings uzrakstīja darbu Par izskaitļojamiem skaitļiem, kuram bija liela nozīme skaitļošanas tehnikas un informātikas attīstībā. 

Matemātiskās loģikas problēmu Tjurings mēģināja atrisināt, lietojot teorētisku jaudīgu skaitļotāju, kuru nosauca par universālo mašīnu. Dati tajā tika ievadīti ar teorētisku papīra lenti, kura bija sadalīta šūnās. Katra šūna saturēja vienu simbolu vai arī bija tukša. Mašīna varēja ne tikai apstrādāt simbolus uz lentes, bet arī mainīt tos, dzēšot vecos un ierakstot jaunus simbolus saskaņā ar instrukcijām mašīnas iekšējā atmiņā. Alana Tjuringa universālo mašīnu var uzskatīt par algoritma abstraktu ekvivalentu jeb izskaitļojamu funkciju. Viņš pierādīja, ka neeksistē universāls algoritms jeb metode, kas ļautu atrisināt jebkuru problēmu. 

1939. gadā, kad sākās Otrais pasaules karš, britu Kara ministrija uzaicināja Tjuringu izzināt Enigmas darbības principus. Tās bija īpaša elektromehāniska ierīce, kuru izmantoja vācu kara flotē un aviācijā radiogrammu šifrēšanai. Britu izlūkdienestam bija izdevies iegūt šo ierīci, kas atgādināja rakstāmmašīnu vai teletaipa aparātu. Taču līdz šim nebija izdevies atklāt matemātiskos principus, kas izmantoti radiogrammu šifrēšanai. 

Tjurings savā Britānijas kodu un šifru skolā (tas bija oficiālais nosaukums slepenajai laboratorijai, kas nodarbojās ar Enigmu) uzaicināja vairākus draugus - šahistus, Tjuringam un viņa kolēģiem bija īsts sportisks azarts atšifrēt nepieejamo Enigmas kodu. Uzdevumu sarežģītāku padarīja tas, ka šifrētajos ziņojumos bija vairāk simbolu nekā oriģinālā. Tomēr 1940. gada vidū tika izveidota ierīce - skaitļotājs ar nosaukumu Bumba, ar kura palīdzību varēja atšifrēt gandrīz visus vācu aviācijas šifrētos radioziņojumus. Vēl pēc gada tika atšifrēti arī Vācijas zemūdeņu ziņojumi.

Alana Tjuringa sasniegumi tika novērtēti. Pēc Vācijas sakāves II pasaules karā Tjuringam piešķīra ordeni un Londonas Nacionālā fizikas laboratorija uzaicināja viņu piedalīties Anglijas pirmās skaitļojamās mašīnas izstrādē. Taču 1946. gadā izstrādātais projekts ACE (Automatic Computing Engine) neguva atzinību, kaut arī šī izstrāde bija pirmais precīzais mūsdienu skaitļotāja apraksts. 

1948. gadā Tjuringa bijušais pasniedzējs Ņūmens uzaicināja viņu piedalīties projektā, kas nodarbojās ar MADAM (Manchester Automatic Digital Machine) izveidošanu. Tjurings izstrādāja mašīnas arhitektūru un programmnodrošinājumu. 1951. gadā, turpinot MADAM projektu, tika iedarbināts viens no pirmajiem pasaulē darbaspējīgiem skaitļotājiem - Ferranti Mark1. Tjurings šajā laikā nodarbojās arī ar dabas pētniecību - augu un gliemežnīcu nelineāru formu modelēšanu - morfoģenēzi, zinātnes nozari, kas pēta dzīvības formu attīstības matemātiskās likumsakarības. Saitļojumi tika veikti ar Mark1. Diemžēl Mark 1 jau pēc dažiem gadiem tika izmantots arī aprēķinos, kas bija nepieciešami atombumbas izveidošanai. 

 

Aikens, ASCC un Mark

Hovards Aikens kopš 1943. gada vadīja pirmos ASV skaitļotāju MARK I, MARK II, MARK III izstrādes projektus. 1939. gadā Aikens ieguva Hārvarda universitātes doktora grādu, kā arī firmas IBM atbalstu skaitļotāju izstrādes projektiem. Kopā ar IBM inženieriem četru gadu laikā IBM laboratorijās Endikotā tika izstrādāts elektromehāniskais skaitļotājs ASCC (Automatic Sequence Controlled Calculator), kurš bija spējīgs 6 sekundēs veikt vienu saskaitīšanas operāciju, bet 12 sekundēs - vienu dalīšanas operāciju. Datus ievadīja un izvadīja ar perfokartēm. 1943. gadā šis 35 tonnas smagais, 17 metrus garais, 2,5 metrus augstais skaitļotājs ar 500 000 mehāniskām detaļām, tika uzstādīts Hārvardā un sāka darboties ar nosaukumu Mark I.

Mark I tika darbināts 24 stundas diennaktī, arī brīvdienās 15 gadus pēc kārtas, un ne reizi neizgāja no ierindas. Skaitļotāju izmantoja galvenokārt ASV Jūras spēku ballistiskajiem aprēķiniem. To izmantoja arī integrālrēķiniem fizikā un astronomijā, kā arī magnētiskā lauka, radaru, atombumbas vienādojumu aprēķiniem. Mark I tā laika presē tika dēvēts gan par Hovarda algebras mašīnu, gan par supersmadzenēm, gan par Aikena kalkulatoru, gan par Harvardas automātiskajām smadzenēm un pasaules lielāko kalkulatoru.

Pēc Otrā pasaules kara, 1946. gadā, Aikens sāka strādāt Hārvarda universitātē par matemātikas pasniedzēju un kļuva par skaitļošanas laboratoriju vadītāju. Tika komplektēta komanda, kas apvienoja visas Hārvarda universitātes zinātnes pilsētiņas dabaszinātņu nodaļas. 1947. gadā Aikena vadībā tika izveidots skaitļotājs Mark II, kurš darbojās elektroniski. Sekoja skaitļotāji Mark III un 1952. gadā - Mark IV. Skaitļotājus izmantoja aprēķiniem dažādās zinātņu nozarēs - atomfizikā, optikā, elektronikā, radiofizikā u. c. Aikens bija pirmais pasaulē, kas sāka pasniegt universitātē datorzinātņu (Computer Science) akadēmisko programmu, kā arī pirmais ierosināja veikt ar skaitļotājiem biznesa aprēķinus.

 

Konrāds Cūze, Plankalkuls un Z1

Pagājušā gadsimta 30. gados inženieris Konrāds Cūze Vācijas kompānijā Henschel Aircraft nodarbojās ar lidmašīnu projektēšanu, kur vajadzēja liela apjoma aprēķinus. Tie bija saistīti ar lidmašīnu spārnu optimālās konstrukcijas noteikšanu un tika veikti ar mehāniskā kalkulatora palīdzību. Jau studiju gados Cūze sapņoja par tādas mašīnas izveidošanu, kas cilvēka vietā veiktu nogurdinošus aprēķinus. 1934. gadā Cūze izveidoja automātiskā kalkulatora modeli, kas sastāvēja no vadības iekārtas, skaitļošanas iekārtas un atmiņas un kas pilnībā atbilda mūsdienu datoru arhitektūrai.

1936. gadā Konrāds Cūze aizgāja no darba, lai veltītu vairāk laika skaitļotāja būvei. Aizņēmies no draugiem naudu, viņš uz vecāku mājas viesistabas galda izveidoja darbnīcu. Kad mašīnas izmēri palielinājās, viņš piebīdīja darba vietai vēl divus galdus, bet pēc tam ar visu iekārtu pārvietojās uz istabas vidu. Pēc diviem gadiem skaitļotājs, kurš aizņēma apmēram 4 kvadrātmetrus un sastāvēja no releju un vadu mudžekļa, bija gatavs. Tā bija tīri mehāniska konstrukcija, kas sastāvēja no vairāk nekā 40 000 detaļu.

Skaitļotājs tika nosaukts par Z1 (Zuse - Cūzes uzvārda rakstība vācu valodā). Tam bija klaviatūra datu ievadei. Aprēķinu rezultāts parādījās uz paneļa ar daudzām mazām spuldzītēm. Cūzi neapmierināja neērtais komandu ievads no klaviatūras, un 1939. gadā laika tika izveidota iekārta datu ievadam skaitļotājā, kura izmantoja 35 milimetru perforētu kinolenti. Skaitļotājs, kurš izmantoja lenti, tika nosaukts par Z2 un tā izveidošanu finansēja trešā reiha Aerodinamisko pētījumu institūts. 1941. gadā Cūze, izmantojot ap 2500 telefona releju, savā Berlīnes dzīvoklī Metfesela ielā 7 - 10 izveidoja skaitļotāju Z3, kurš izmantoja bināro skaitīšanas sistēmu. Tā bija pirmā programmējamā skaitļojamā mašīna pasaulē, kura varēja veikt aritmētiskas darbības ne tikai ar veseliem skaitļiem, bet arī ar daļskaitļiem. Z3 darbības ātrums bija apmēram tāds pats kā 1940. gadu beigās izveidotajam amerikāņu skaitļotājam Harvard Mark I.

Visas trīs mašīnas tika iznīcinātas bombardēšanā laikā kara Otrā pasaules kara laikā. 1945. gadā tika izveidots skaitļotājs Z4, kuru izmantoja zinātniskiem aprēķiniem Getingenas universitātē. Tika izgatavots arī skaitļotāja modelis Z5. Visu skaitļotāju galvenā sastāvdaļa bija elektromagnētiskie releji, līdzīgi tiem, kurus tolaik izmantoja telefona centrāļu komutatoros.

1942. gadā Konrāds Cūze kopā ar austriešu inženieri elektriķi Helmūtu Šraieru ierosināja uz skaitļotāja Z3 bāzes izveidot principiāli jaunu iekārtu, kurā nebūtu kustīgu detaļu un kuras uzbūves pamatelements būtu elektronu vakuumlampas. Jaunajai mašīnai vajadzētu darboties simtiem reižu ātrāk nekā jebkuram skaitļotājam, kurš tajā laikā darbojās karojošajā Vācijā. Taču Hitlers bija aizliedzis visas ilgtermiņa zinātniskās izstrādes, jo bija pārliecināts par ātru uzvaru, un priekšlikumu noraidīja.

Smagajos pēckara gados Konrāds Cūze enerģiju veltīja programmēšanas sistēmas Plankalkul (plānu kalkulators) izveidošanai. Šī programmēšanas valoda iespēju ziņā bija pārāka par programmēšanas valodu ALGOL, ko izveidoja pēc 12 gadiem, un to var uzskatīt par pirmo augsta līmeņa programmēšanas valodu. Konrāds Cūze izveidoja brošūru, kurā aprakstīja valodas Plankalkul iespējas, piemēram, darbību izpildi binārajā skaitīšanas sistēmā (citi tajā laikā darbojošies skaitļotāji izmantoja decimālo skaitīšanas sistēmu), datu kārtošanu, vairākas programmas, kas analizēja šaha spēles pozīcijas.

Plankalkuls tika radīts kā tīri teorētisks darbs, nezinot, vai tuvākajā nākotnē tiks vai netiks izgatavots skaitļotājs, uz kura varētu darbināt Cūzes programmas. Valodas apraksts bija ap 300 lappušu garš, tajā ietilpa pat Šaha programma uz 60 lappusēm, jo Cūze šaha programmu uzskatīja par grūtāko uzdevumu savam skaitļotājam. Konrāda Cūzes darbu pilnībā izdeva un novērtēja tikai 1970. gadā.

Konrāds Cūze pirmais pasaulē apgalvoja, ka datu apstrāde sākas ar informācijas vienību bitu (Cūzes terminoloģijā - jā/nē statuss), pirmais ieviesa jēdzienu mašīnvārds (word). Interesanti, ka Cūze nebija iepazinies ar kolēģu izstrādnēm ASV, pat ne ar Čārlza Bebidža XIX gadsimta idejām.

 

Toms Kilburns, Baby, Ferranti Mark un citi

Toms Kilburns (Tom Kilburn) Otrā pasaules kara laikā un arī pēc kara vadīja Anglijas skaitļotāju Baby, Manchester Mark un citu izstrādi, 1948. gadā uzrakstīja pirmo darbojošos datorprogrammu. 1946. gadā Toms Kilburns Mančestrā turpināja darbu pie digitālās informācijas glabāšanas iespējām, izmantojot katodu staru elektronu lampu (Cathode Ray Tube). 1947. gada beigās jau bija iespējams ar elektronu lampu palīdzību glabāt tik daudz informācijas, kas bija pietiekami, lai varētu būvēt skaitļotāju, kas izmantotu šo ierīci. 1948. gadā Kilburns vadīja elektronu skaitļojamās mašīnas Baby izveidi, kurā izmantoja arī paša izgudrotās elektronu lampas. 1948. gada 21. jūnijā uz šī skaitļotāja tika iedarbināta arī pirmā datorprogramma.

Programmas uzdevums bija atrast dotā skaitļa a lielāko dalītāju b jeb lielāko skaitli b, ar kuru dotais skaitlis a dalās bez atlikuma. Piemēram, testējot ar šo programmu uz skaitļotāja Baby skaitli, kurš vienāds ar 2 astoņpadsmitajā pakāpē, tika pārbaudīti apmēram 130 000 skaitļu, izpildīts ap 2,1 miljons komandu. Pareizā atbilde tika atrasta skaitļošanas 52. minūtē.

1948. gadā Toms Kilburns sāka strādāt Elektroinženierijas nodaļā, kur kopā ar Frediju Viljamsu un viņa grupu izveidoja nākamo skaitļotāju Manchester Mark I. 1948. gada rudenī valdība atļāva kompānijai Ferranti būvēt elektronu skaitļojamās mašīnas komerciālu modeli. 1951. gada sākumā Ferranti būvētos skaitļotājus Manchester Mark I sāka saukt par Ferranti Mark I, un tos ražoja kompānijas skaitļojamo mašīnu laboratorijā. 1949. gadā Tjurings kopā ar Cecīliju Popevelu izveidojo programmnodrošinājumu skaitļotājam Ferranti Mark I un Tjurings uzrakstīja pirmo programmēšanas rokasgrāmatu.

Ferranti Mark I skaitļotāji darbojās līdz 1951. gadam, kad Toms Kilburns ar savu grupu ķērās pie jauna skaitļotāja MEG izveides. MEG sāka darboties 1954. gadā. Vienlaikus Kilburna komanda izstrādāja arī pasaulē pirmo skaitļotāju, kas izmantoja tranzistorus – Transistor Computer. Tam nebija RAM, informācija tika glabāta magnētiskajos diskos. Pirmais tranzistoru skaitļotājs sāka darboties 1953. gadā. Tāpat kā Mančestras Markam I, skaitļotājam MEG dizainu veidoja kompānija Ferranti, bet pašu skaitļotāju nosauca par Mercury, to ražoja no 1957. līdz 1958. gadam. Tranzistoru skaitļotāju ražoja kompānija Metropolitan Vickers un to nosauca par MV950. Kopumā tika saražotas sešas šādas mašīnas.

1956. gadā Toma Kilburna komanda sāka veidot skaitļojamo mašīnu, kurā izmantoja tranzistorus un magnētiskos serdeņus un kura spēja izpildīt jau ap miljonu operāciju sekundē. Skaitļotājam vajadzēja arī spēt vienlaikus izpildīt vairākas programmas, ko nodrošināja Supervizors - operāciju sistēma. Skaitļotājam deva vārdu MUSE. Tikai 1959. gadā Ferranty piekrita finansēt tā izveidi, pārdēvējot to par Atlasu. Atlass pirmoreiz tika iedarbināts 1962. gada decembrī. Tika uzstādīti trīs Atlasa eksemplāri: Mančestrā, Londonas universitātē un Harvelā. Tos lietoja universitātes, pētniecības centri un komerciālie lietotāji.

1964. gadā Toma Kilburna darba grupa nodibināja universitātes Datorzinātņu nodaļu. Arī citās universitātēs līdztekus Matemātikas nodaļām tika veidotas datorzinātņu nodaļas, taču Mančestras universitātes Datorzinātņu nodaļa galvenokārt pievērsās skaitļotāju arhitektūras izstrādei, nevis programmēšanai. 1965. gadā tajā sāka studēt pirmie 30 studenti. 1966. gadā sākās Toma Kilburna grupas darbs jauna skaitļotāja MU5 izstrādē. MU5 sastāvēja no trim skaitļotājiem - MU5, ICL1905E, kas apkalpoja perifērās ierīces, un PDP11/10, kas uzturēja failu transportēšanu un tīkla termināļus. Sākot ar 1972. gadu, komerciālos MU5 kompleksus ražoja kompānija ICL. MU5 bija pēdējais lielākais Mančestras universitātes veikums, kura aizsākums bija Baby. Patlaban Baby atrodas Zinātnes un industrijas muzejā Mančestrā.

Velta MIKA

Resursi internetā

http://www. ik. fh - hannover. de/person/becher/edvhist/personen/aiken. htm

http://www2. sis. pitt. edu/~mbsclass/hall_of_fame/aiken. htm

http://www. news. harvard. edu/gazette/1998/04. 09/HowardAikenMaki. html

http://www. athsalumni. org/howardaiken. htm

http://www. computer - museum. ru/frgnhist/malinovs. htm

http://www. dw - world. de/russian/0,3367,4457_A_772160,00. html

http://www. tomsk. ru/Books/informatica/theory/chapter3/turing. html

http://www. turing. org. uk/

http://www. zib. de/zuse
http://www. zuse. org
http://inf. 1september. ru/2002/1/ingener. htm

http://www. computer50. org/mark1/firstprog. html

http://www. computer50. org/mark1/kilburn. sum. html http://www. computer - museum. ru/galglory/2. htm

http://www. davros. org/misc/chronology. html