Skaitļojamo mašīnu pionieri

 

Laikā starp diviem pēdējiem pasaules kariem radās daudzi teorētiski pētījumi un idejas, kas mūsdienās materializējušies ierīcēs un sistēmās, ar kurām jau esam saraduši un ar kurām saskaramies ik dienu. Vien ideju autori piemirsušies, varbūt vēl kāds no viņiem izbalējušā fotogrāfijā no augstskolas auditorijas sienas noraugās uz studentiem, kuri apgūst kādus nelielus fragmentus no viņu radītajām teorijām.

 

Vanevers Bušs

1930. gados Vanevers Bušs (Vannevar Bush) iesaistījās Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta (MIT) pētījumos par automatizētu sistēmu izveidi diferenciālvienādojumu atrisināšanai. 1930. gadā viņš piedalījās pirmā analogā skaitļotāja izveidē, un 1931. gadā tika nokomplektēta pirmā diferenciālmašīna, kas varēja atrisināt diferenciālvienādojumus. 

Bušs strādāja pie tādu mašīnu izveides, kas spētu automatizēt cilvēka domāšanu. 1930. gados populārākais informācijas nesējs kļuva mikrofilma. Tādēļ tās izmantošana tika iekļauta teorētiskajās informācijas apstrādes ierīcēs. Bušs vēlējās izveidot ierīci FIB vajadzībām, kas spētu nolasīt 1000 pirkstu nospiedumu minūtē. Lai gan šis projekts netika realizēts, Bušs turpināja darbu pie informācijas procesoriem.

1937. gadā Bušs kļuva par Karnegi institūta, kurš katru gadu varēja izlietot pētījumiem 1,5 miljonus dolāru, prezidentu.

1942. gadā Vanevera Buša vadībā tika izveidots elektromehāniskais analizators, kas svēra 100 tonnu, tajā bija 2000 elektronu lampas, 400 km vadu, 150 elektromotoru. Šo ierīci veiksmīgi lietoja vairākos projektos Otrā pasaules kara laikā. Taču Vanevera Buša idejām izrādījās daudz ilgāks mūžs nekā viņa vadībā veidotajām ierīcēm.

1940. gadā, Otrā pasaules kara sākumā, ASV prezidents Rūzvelts norīkoja Bušu par Nacionālās Aizsardzības pētījumu komitejas (National Defense Research Committee) vadītāju. 1941. gadā Bušu iecēla par OSRD (Office of Scientific Research and Development) direktoru, lai vadītu ieroču izstrādi un pētījumus militārajā jomā. Kara beigās organizācijā tika nodarbināti apmēram 6000 zinātnieki, lai izveidotu atombumbu. Buša darbība sekmēja ASV uzvaru karā, pierādīja, ka zinātniskajiem pētījumiem ir izšķiroša nozīme karadarbības panākumos. Viņš arī panāca ciešu sadarbību starp valsts, biznesa un zinātniskajām struktūrām ASV. Tieši valsts lielais atbalsts zinātniskajiem pētījumiem veicināja arī interneta vēlāko izveidošanu ASV. 

Saite, kas vieno Vanevera Buša idejas ar mūsdienām, ir saistīta ar viņa rakstu Tā, kā mēs varam domāt (As we may think), kas publicēts 1945. gadā žurnālā The Atlantic Monthly un bija veltīts zinātnes un zinātnieku lomai kara laikā. Mūsdienās ir interesanta tā raksta daļa, kas apraksta informācijas attēlošanas veidus. Bušs apgalvo, ka informācijas uzglabāšana papīra formā liedz piekļuvi svarīgākajiem zinātnes atklājumiem. Tā, piemēram, Gregora Mendeļa pētījumi ģenētikā nebija pieejami vairākus desmitus gadu. Lai atrisinātu piekļūšanu lielam informācijas apjomam, Bušs piedāvāja fotoelektromehānisku ierīci, kuru viņš nosauca par memeksu.

Šī hipotētiskā ierīce nekad netika uzbūvēta, taču tā kļuva par pamatu mūsdienās web lapās lietotajam hipertekstam. Buša ideja balstījās uz to, ka visai informācijai jāglabājas uz mikrofilmām un ierīcei jāprot gan nolasīt informāciju no mikrofilmām, gan arī rakstīt tajās. Bušs iedomājās šo ierīci kā rakstāmgaldu ar ekrānu, uz kura projicējas informācija un kura vadāma, izmantojot klaviatūru. Galvenais uzsvars memeksa tehnoloģijas aprakstā tika likts uz informācijas meklēšanas veidu, pretstatot asociatīvo (līdzīgu cilvēka smadzeņu darbībai) un indeksēto (līdzīgu bibliotēku uzskaites sistēmām) informācijas meklēšanas metodi.

Datu indeksācijas paņēmiens, lai atvieglotu datu uzskaiti un meklēšanu, radās samērā nesen - 15. gadsimtā, attīstoties grāmatu iespiešanai un grāmatvedībai. Līdz grāmatu iespiešanas sākumam katrs rokraksts bija unikāls, bieži vien netika norādīts tā autors, nebija vienotu principu grāmatu noformēšanā un bibliotekāram vajadzēja būt apveltītam ar īpašām spējām vajadzīgo manuskriptu atrašanā. Vanevera Buša nopelns bija tas, ka viņš formulēja hipersaišu mehānismu, kuram analoģisks tiek lietots web lapās. Viņš uzskatīja, ka informācija par katru dokumentu ietvertu papildu laukus, kurus varētu izmantot tādu dokumentu jaunradīšanā, kuros būtu tikai pieprasītā informācija no vairākiem dokumentiem. Katrā ziņā memekss bija kā vīzija nākotnes darbam ar dokumentiem. Terminu hiperteksts 1965. gadā radīja Teds Nelsons, bet pirmo ierīci hiperteksta lietošanai 1968. gadā izveidoja Dugs Engelbarts. Arī savā sarakstē viņi atsaucās uz Venevera Buša idejām.

Vanevers Bušs rakstīja arī par informācijas tehnoloģiju lomu sabiedrībā. Tomēr daudzas idejas izrādījās kļūdainas. Tā, piemēram, viņš uzskatīja, ka skaitļotājs, kurš būtu adekvāts cilvēka smadzenēm, sasniegtu debesskrāpja lielumu, bet tā jauda līdzinātos Niagāras ūdenskrituma jaudai. Nebija precīzs arī viņa teorētiskais pamatojums mikroshēmu ietilpībai 1970. gadā. Tādēļ pat Amerikā ieviesās termins vanevar - kļūdainu paredzējumu apzīmēšanai. Vanevers Bušs nomira 1974. gada 30. jūnijā - gadu pirms interneta triumfa pasaulē. Augot interneta popularitātei, daudzi sāka lūkoties atpakaļ vēsturē un sāka pārvērtēt Vanevera Buša izgudrojumus.

 

Klods Šenons

1932. gadā Klods Šenons (Clod Shannon) ietājās Mičiganas universitātē, kur ieguva bakalaura grādu matemātikā un inženierzinātnēs. 1936. gadā Šenons sāka strādāt par laborantu Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta (MIT) elektrotehniskajā nodaļā. Pienākumos ietilpa arī darbs ar Buša skaitļojamo mašīnu, kas tolaik bija viena no progresīvākajām, ar kuru varēja risināt pat 6. pakāpes diferenciālvienādojumus. Klodam ļoti interesanta šķita skaitļotāja elektriskā ķēde, kas ietvēra vairākus simtus releju. Viņš bija studējis matemātisko loģiku un Bula algebru un saprata, ka šīs disciplīnas ļauj aprakstīt binārās elektrisko ķēžu sistēmas. Šīs idejas Klods Šenons turpināja atīstīt 1937. gadā Ņujorkā pētījumu centrā Bell Telephone Laboratories. Tās bija pamatā viņa diplomdarbam Masačūsetsas universitātē, un šis darbs bija arī viņa pirmā publikācija, kas piesaistīja lielu sabiedrības uzmanību.

1938. gadā tika publicēts vēsturiskais Kloda Šenona raksts Sakaru matemātiskā teorija (Mathematical theory of Commucation). Tajā bija apgalvots, ka jebkuru informācijas avotu - telegrāfa atslēgu, runājošu cilvēku, telekameru u. c. - raksturo informācijas veidošanas ātrums, kuru izsaka ar mērvienību biti/sekundē. Sakaru kanāliem piemīt informācijas caurlaides spēja, kuru arī var mērīt bitos/sekundē, un informāciju var nosūtīt pa sakaru kanāliem tikai tad, ja to caurlaides spēja nav mazāka par informācijas veidošanās ātrumu.  1940. gadā tika izvirzīts Alfrēda Nobela prēmijai, kuru piešķīra Amerikas inženieru apvienība.

Viena no institūta apakšnodaļām, kas atradās Koldspringharborā, tajā laikā nodarbojās ar ģenētikas jautājumiem, un Vanevers Bušs ieteica Šenonam izpētīt, kā pielietot matemātiskās zināšanas, lai risinātu ģenētisko kodu glabāšanas problēmas. 1939. gada vasarā Klods Šenons šajā nodaļā kopā ar Barbaru Barksu strādāja pie disertācijas Algebra teorētiskajā ģenētikā. Paralēli tam Klods Šenons aizrāvās ar skaitļojamām mašīnām un sakaru sistēmām. 1940. gadā Šenons institūtā pētīja komutējošās elektriskās ķēdes, izstrādājot to projektēšanas metodes, kas ļāva samazināt kontaktu skaitu. Rezultāti tika apkopoti rakstā Divpusēji komutējošo ķēžu izstrāde (The Sythesis of Two-Terminal Switching Circuits).

1940. un 1941. gadu Klods Šenons pavadīja Prinstonā, kur Hermaņa Veila vadībā sāka nopietni strādāt efektīvu sakaru sistēmu informācijas teorijā. Taču sākoties Otrajam pasaules karam, Šenonu uzaicināja pievienoties grupai, kas nodarbojās ar tādu iekārtu konstruēšanu, kuras fiksē pretinieka raķešu un lidmašīnu tuvošanos un novada uz tām aizsargieroču darbību. Šis darbs kļuva aktuāls saistībā ar Vācijas raķešu Fau-1 un Fau-2 izveidi. Bez aizsargsistēmām Anglija Otrajā pasaules karā būtu cietusi daudz lielākus zaudējumus. Kopumā Šenons pētījumu centrā Bell Telephone Laboratories pavadīja 15 gadus labā sabiedrībā, kuru veidoja matemātiķis Džons Pīrss, pazīstams ar darbu sakaru pavadoņu jomā, Harijs Naikvists, kurš bija daudz paveicis signālu atpazīšanas teorijā, Britins, Bardins un Šoklijs, tranzistora izgudrotāji, Džordžs Stibics, kurš 1938. gadā izveidoja pirmo skaitļotāju uz releju bāzes, inženieris Bārnijs Olivers un citi. Šenona galvenā nodarbe šajos gados bija informācijas teorijas izstrāde. Rakstā Aizsargātu sakaru teorija (Commucatin Theory of Secresy Systems) viņš saistīja kriptogrāfiju ar informācijas pārraidi kanālā ar trokšņiem. Šīs publikācijas iespaidā ASV valdība uzaicināja viņu par konsultantu kriptogrāfijā.

Kopā ar E. Mūru Šenons pētīja arī releju ķēžu drošības palielināšanas iespējas. Šo teoriju Šenons praktiski lietoja arī vērtspapīru tirgus pētīšanā, risinot maksimālā izdevīguma uzdevumu. Viens no Šenona rakstiem par vieglāku tematiku bija Skaitļotāja programmēšana šaha spēlei (Programming Computer for Playing Chess) 1950. gadā. Tolaik skaitļotāji bija lēni un programmēšana uz tiem - samērā sarežģīta. Katrā ziņā darbs šaha spēles programmu veidošanā turpinājās, un 1982. gadā Šenons kā goda viesis tika uzaicināts uz Lincu, Austrijā, kur piedalījās starptautiskajā šaha programmu turnīrā (International Conputer Chess Chamionship) Austrijā, kurā piedalījās 11 skaitļotāji no Austrijas, Vācijas, Krievijas, Francijas, Anglijas, Kanādas un ASV. Lielākā skaitļotāju daļa atradās ASV un ar interneta palīdzību bija saistīta ar Austriju.

Šenonam patika nodarboties ar interesantu, bet ne vienmēr praktiski lietojamu ierīču konstruēšanu. Viņa mājā varēja aplūkot kalkulatoru, kurš strādāja romiešu ciparu sistēmā, robotus-bruņurupucīšus, kas, pārvietojoties pa grīdu, apgāja šķēršļus, vai arī ierīci ar diviem vēžiem, kas žonglēja ar trim bumbiņām. Piecdesmitajos gados Šenons izveidoja robežmašīnu (Ultimate Machine), izmantojot Mervina Minska ideju, kuru savā darbā Balss virs jūras aprakstījis arī fantasts Artūrs Klarks. Šī mašīna izskatījās pēc lādītes ar vienu ieslēgšanas slēdzi. Pēc tā nospiešanas atvērās lādītes vāks un no lādītes parādījās roka, kas izslēdza mašīnu un atkal pazuda lādītē.

 

Norberts Vīners

Amerikāņu matemātiķis Norberts Vīners (Norbert Wiener) kļuva ievērojams kā kibernētikas izveidotājs. 1948. gadā tika izdota viņa grāmata Kibernētika jeb vadība un sakari dzīvā būtnē un mašīnā (Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine).

Vīners radīja kibernētiku - zinātni par vadību, sakariem un informācijas apstrādi tehnikā, dzīvajos organismos un sabiedrībā, zinātni, kas ļauj radīt un vadīt mākslīgo intelektu. Vīners uzskatīja par acīmredzamu to, ka daudzas konceptuālās shēmas, kas raksturo dzīvnieku uzvedību dažādās situācijās, ir līdzīgas shēmām, kas raksturo vadības procesus sarežģītās tehniskās sistēmās. Viņš pārliecinoši pierādīja, ka ekonomikas un sabiedrības vadības modeļus var analizēt ar tām pašām metodēm, ar kurām pēta cilvēku radītas tehniskas sistēmas.

Sākot ar 1919. gadu un turpmāk visu dzīvi Vīners bija Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta matemātikas katedras pasniedzējs. Šajā laikā sākās arī viņa draudzība ar Vaneveru Bušu. Tieši Bušs Otrā pasaules kara sākumā iesaistīja Vīneru matemātisku uzdevumu risināšanā, kas bija saistīti ar zenītuguns vadīšanu, izmantojot no radiolokatoriem pienākošo informāciju. Šeit Vīners pirmoreiz sastapās ar to, ka mašīnai bija jāveic sarežģītas darbības atkarībā no mērķa uzvedības. Tādā veidā Vīners kļuva par Anglijas kaujas dalībnieku, kas deva iespēju iepazīties ar Alanu Tūringu un Džonu fon Neimanu.

1948.gadā ASV un Eiropā iznāca Vīnera grāmata Kibernētika jeb Vadība un sakari dzīvā būtnē un mašīnā, kas bija stimuls jaunas zinātnes nozares dzimšanai. Vīners kļuva par kibernētiskās filozofijas dibinātāju, kā arī nodibināja savu skolu. Tieši Vīnera skolā tapa darbi, kas veicināja interneta rašanos. Kopā ar K. Šenonu Vīners izstrādāja mūsdienu informācijas teorijas pamatus un ieviesa informācijas mērvienību bitu. Popularizējot kibernētikas idejas, Vīners 1950. gadā publicēja grāmatu Kibernētika un sabiedrība un 1964. gadā, jau pēc autora nāves, tika publicēts pēdējais darbs Radītājs un robots.

 

Džons Neimans

Džons Neimans (Jon von Neumann; 1903-1957) ir amerikāņu matemātiķis, kurš devis lielu ieguldījumu pirmo elektronisko skaitļojamo mašīnu izveidē un to izmantošanas metožu izstrādē.

1930. gadā Neimans devās uz ASV, kur kļuva par Prinstonas institūta līdzstrādnieku perspektīvo pētījumu jomā visa turpmākā mūža garumā. Prinstonas Pētījumu institūts tajā laikā bija jaundibināta organizācija, kurā nebija obligātas mācību programmas, institūta līdzstrādnieki vienlaikus bija gan pasniedzēji, gan klausītāji. Sākotnēji institūts pārsvarā darbojās fizikas un matemātikas jomā. Daudzus gadus tā direktors bija Roberts Openheimers. Par pirmajiem profesoriem kļuva Osvalds Veblens 1932. gadā, Alberts Einšteins un Džons Neimans 1933. gadā.

Džons Neimans ir viens no efektīvās matemātiskās fizikas uzdevumu atrisināšanas metodes - Montekarlo metodes jeb statistisko mēģinājumu metodes - līdzautors. Viņš izveidoja arī vienu no daudzajiem nejaušo skaitļu ģenerēšanas algoritmiem, kas nepieciešami Montekarlo metodes realizēšanai.

Neimana interese par skaitļotājiem saistīta ar viņa piedalīšanos slepenajā Manhetenas projektā atombumbas izveidošanai. Viņš saprata, ka skaitļotājs ir universāls instruments, kuru var izmantot zinātniskajos pētījumos. 1954. gadā, pievienojoties Mouslija un Ekerta grupai, Neimans sagatavoja referātu, kurā atspoguļoja darbības plānus ar skaitļotāju EDVAC, kas iekļāva ne tikai mašīnas, bet arī tās loģisko īpašību aprakstu. Pateicoties armijas pārstāvim Goldšteinam, kurš noklausījās referātu, tas tika pavairots un izsūtīts daudziem ASV un Lielbritānijas zinātniekiem.

Tas bija pirmais darbs par elektroniskajiem skaitļotājiem, kas bija pieejams plašam zinātnieku lokam. Kopš tā laika skaitļotājs tika atzīts par objektu, kas pelnījis zinātnisku interesi. Referāta lasītāji bija pārliecināti, ka izklāstītās idejas, arī principiāli jaunais risinājums glabāt programmas skaitļotāja atmiņā pieder Neimanam. Maz bija to, kas zināja, ka Alans Tūrings jau 1936. gadā savu hipotētisko universālo skaitļojamo mašīnu bija apveltījis ar iekšējo atmiņu. Mouslijs un Ekerts sakarā ar slepenības apsvērumiem arī nedrīkstēja publicēt nekādus paziņojumus par savu izgudrojumu. Strīdi par to, kam galu galā pienākas autortiesības uz EDVAC un ENIAC, noveda pie darba grupas iziršanas.

Neimans atgriezās institūtā un nodarbojās ar savas skaitļojamās mašīnas izstrādi, kuru nosauca par skaitļotāju ar tiešās atmiņas adresāciju IAS (Immediate Address Storage). Tā kā mūsdienu skaitļotāju pamatā ir IAS arhitektūra, tad reizēm speciālajā literatūrā tā tiek dēvēta par Neimana arhitektūru. No mūsdienu datoriem Neimana mašīna atšķīrās arī ar to, ka darbojās tikai ar veselajiem skaitļiem. Tomēr pastāv uzskats, ka tieši Neimanam pieder ideja, ka skaitļotāja operatīvajā atmiņā vienlaikus jāatrodas gan datiem, gan programmai, kas šos datus apstrādā. Šī ideja tika realizēta skaitļotājā EDSAC.

Prinstonas institūtā Neimans piedalījās jaunāku konstrukciju skaitļotāju izstrādē, starp kuriem bija arī skaitļotājs, kurš tika izmantots aprēķinos, kas bija saistīti ar ūdeņraža bumbas izgatavošanu. Neimans šo skaitļotāju nosauca par MANIAKU (no vārdiem Mathematical, Analizer, Numerator, Integrator un Computer), bet citi - par Džoniaku - Neimana vārdā.

Pagājušā gadsimta 40. gadu beigās Džons Neimans pievērsās automātu teorijai - zinātnei par galvenajiem principiem, kas ir kopīgi mākslīgajiem (skaitļotājiem) un dabīgajiem automātiem (cilvēka nervu sistēma, dzīvie organismi). Automātu teorija radās, apvienojot dažādas nozares - loģiku, sakaru teoriju, fizioloģiju.

Neimans pievērsa uzmanību tam, ka dzīvie automāti (arī cilvēka smadzenes) darbojas ar lielu drošību, lai gan dažas tā sastāvdaļas ir nedrošas. Viņa atziņas tika apkopotas darbā Varbūtību loģika un drošu organismu sintēze no nedrošiem komponentiem, kas tika izdots 1952. gadā. Neimana pēdējais teorētiskais darbs, kuru viņš tā arī slimības dēļ nespēja pabeigt, bija Skaitļojamā mašīna un smadzenes.

 

 

Velta MIKA