История электронных компьютеров

От Colossus к «национальному компьютеру»

Опыт Блетчли-парка, полученный при создании криптоаналитической машины Colossus стал катализатором британского старта. В отличие от США, где в дело сразу включились университеты и промышленность, в Великобритании инициатором выступило Министерство снабжения армии (Ministry of Supply). В 1945 году, еще до публикации знаменитого американского меморандума о EDVAC, оно предложило создать British national computer – национальный вычислитель.

Исполнителем выбрали Национальную физическую лабораторию (NPL), относительно небольшое учреждение, которым руководил сэр Чарльз Дарвин, родственник великого естествоиспытателя. В команду вошли лучшие умы Блетчли-парка – Макс Ньюман и Алан Тьюринг. Ньюман, игравший ключевую роль в организации работы над Colossus и в математической подготовке специалистов Блетчли, предложил идею вычислительного центра как общенационального ресурса. Тьюринг разработал проект Automatic Computing Engine (ACE), универсальной общенациональной машины. В нем ощущалось математическое вдохновение, но и некоторая инженерная мегаломания.

Проект выглядел внушительно: полная ACE должна была содержать около 6 000 ламп, работать с памятью на 1 000 слов по 32 бита, а скорость выполнения операций оценивалась в 1 миллион операций в секунду – показатели, поражающие для середины 1940-х. Однако быстро выяснилось, что идея слишком амбициозна. Ньюман вскоре ушел в Манчестер, где развернул собственную линию работ, Тьюринг взял годовой отпуск и работал в Кембридже и Манчестере. К 1947 году от идеи «British national computer» отказались. Главной причиной стала экономика: страна, разрушенная войной, не могла позволить себе столь масштабный проект.

Упрощенный вариант, Pilot ACE, содержал около 800 ламп, использовал ртутные линии задержки общей емкостью 352 слова по 32 бита и достигал скорости до 1 миллиона инструкций в секунду – фактически он стал одним из самых быстрых компьютеров своего времени. Но программировать его было крайне сложно. Тем не менее, машина работала до 1957 года, а ее промышленный вариант – DEUCE (Digital Electronic Universal Computing Engine) – выпускался English Electric (35 экземпляров) и содержал уже около 1 450 ламп.

Манчестерская инженерная школа

В Манчестере в дело включился именно Макс Ньюман, перешедший сюда из NPL. Он привел с собой опыт Блетчли и понимание организационной стороны крупных проектов. Вместе с инженерами Фредериком Уильямсом и Томом Килбурном он основал школу, где математика и инженерия соединились.

Уильямс, специалист по радарам, предложил использовать электронно-лучевые трубки не для вывода изображения, а для хранения данных: люминофор сохранял след, а луч мог его обновлять и считывать. Вместе с Килбурном и Джеффом Тутиллом он в 1946 году начал эксперименты, а к 1948 году построил SSEM (Small Scale Experimental Machine) – «Baby». Машина содержала 550 ламп и могла хранить 32 слова по 32 бита. Ее первая программа из 17 команд проработала 52 минуты.

Следующим шагом стал Manchester Mark I, в полной версии имевший около 4 200 ламп, память на 128 слов и скорость порядка 1 миллисекунды на операцию. В нем использовались «длинные слова» (40 бит), а также впервые применялись индексные регистры. Эта машина стала основой для коммерческого компьютера Ferranti Mark I (1949), содержавшего более 4 000 ламп и память на 2 048 слов. На нем была реализована ранняя система программирования, а Тони Брукер создал язык Autocode.

Дальнейшее развитие линии: Mercury (1957, 2 000 слов памяти на магнитных барабанах, скорость до 60 000 операций в секунду), а затем Atlas (1962) – самый быстрый компьютер своего времени. Atlas содержал около 90 000 транзисторов, оперативную память на 16 000 слов по 48 бит и барабанное хранилище на 96 000 слов. Именно здесь впервые была реализована концепция виртуальной памяти. В 1970-е появились MU5 и MU6, ставшие прототипами мэйнфреймов ICL.

Кембридж и рождение бизнес-компьютинга

В Кембридже работу возглавил Морис Уилкс. Получив доступ к меморандуму фон Неймана, он создал проект EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), завершенный в 1949 году. Машина содержала около 3 000 ламп, память на 512 слов по 17 бит на ртутных линиях задержки и выполняла порядка 650 инструкций в секунду. Это был первый по-настоящему полезный компьютер с хранимой программой.

Неожиданным союзником оказалась чайная империя J. Lyons & Co. Компания имела собственные подразделения инженеров и математиков и стремилась автоматизировать бизнес-процессы. Руководители Джон Симмонс и Реймонд Томпсон сразу оценили потенциал компьютеров. Они отправились в США, встречались с Германом Гольдштейном и вернулись с твердым решением внедрять вычислительные машины для управления производством.

Сначала Lyons финансировала проект EDSAC, но затем пригласила бывшего аспиранта Уилкса Джона Пинкертона для создания собственной машины. Так появился LEO I (Lyons Electronic Office), запущенный в 1951 году. Он состоял из 21 шкафа, содержал около 6 000 ламп и 64 ртутные линии задержки на 2 048 слов. Тактовая частота достигала 500 кГц, а скорость – около 600 инструкций в секунду. Его эксплуатация произвела сенсацию: это был первый в мире бизнес-компьютер.

Компания LEO Computers выпустила обновленные версии: LEO II (1957, до 10 000 ламп, 4 096 слов памяти) и LEO III (1962, транзисторная, память на 8 192 слова). Всего было произведено около 150 машин, установленных по всему миру, включая Австралию, Южную Африку и даже Чехословакию.

Наследие британского пути

История британских компьютеров первого поколения – это чередование амбициозных проектов и прагматичных решений.

• ACE и его наследники показали силу идей Тьюринга, но и ограниченность чисто математического подхода.

• Манчестерская школа Ньюмана, Уильямса и Килбурна создала основу инженерной традиции и вывела Великобританию на уровень коммерческого производства.

• Кембриджская линия подарила миру бизнес-компьютинг через LEO.

Хотя позже Британия уступила США в гонке объемов и скоростей, ее влияние оказалось интеллектуальным. От ранних идей до современных ARM и Darktrace проходит прямая линия: британский путь – это умные архитектуры, новые алгоритмы и смелые концепции.

Сегодня уже невозможно представить мир без ARM-процессоров, работающих в миллиардах устройств. Но их корни уходят в 1945 год, когда в NPL обсуждали создание «British national computer». Тогда, в послевоенной Британии, родилась традиция, в которой ценность измеряется не числом выпущенных машин, а качеством идей.

Это и есть подлинное наследие Алана Тьюринга, Макса Ньюмана и их соратников: компьютинг как интеллектуальное приключение, а не только как индустрия.

Барабанные машины

В 1950–1970-х годах штат Миннесота был «тайной Силиконовой Долиной», не случайно его называют «Землей 10 000 самых засекреченных компьютерных проектов» (The Land of 10,000 Top-Secret Computer Projects). Третий компьютерный кластер после территории между Сан-Франциско и Сан-Хосе и окрестностей Бостона, растянувшихся вдоль Шоссе 128, он стал сначала резиденцией для компаний Univac, Control Data, IBM, Honeywell, а позже и для других, причастных к тому, что делалось в целях обеспечения национальной безопасности в период холодной войны. Флер таинственности сыграл не лучшую роль в развитии региона; сейчас делается многое для восстановления его статуса, но на этот раз упор делается на развитие медицинских технологий.

Здесь в 1946 году Уильям Норрис, позже возглавивший Control Data Corporation, и Говард Ингстрем (1902–1962), математик и криптограф, завершивший карьеру на посту заместителя директора Агентства национальной безопасности (АНБ), создали компанию Engineering Research Associates (ERA). Они собрали в ней несколько десятков специалистов для создания машин, способствующих раскрытию шифров, прежде всего советских. Им предстояло построить две такие машины – Goldberg и Demon, аналогичные более известному Colossus. В этом деле они не были одни: существовала целая индустрия, производившая подобные машины. Goldberg, Demon и другие описаны в книге Стивена Будянски «Борцы с кодами: Взломщики шифров АНБ и секретная война разведки против Советского Союза» (Code Warriors: NSA's Codebreakers and the Secret Intelligence War against the Soviet Union).

Третьей машиной стал Atlas, построенный в 1950 году; в нем впервые был использован магнитный барабан для программы и данных, который выполнял и функции оперативной памяти. На основе Atlas были созданы коммерческая версия ERA 1101 и секретная Atlas II. Вскоре Sperry Rand приобрела компании ERA и Eckert—Mauchly Computer Corporation с ее UNIVAC I, образовав компьютерное подразделение Sperry-UNIVAC. Недовольные этим, во главе с Норрисом, создали более успешную Control Data Corporation, среди них был великий Сймур Крей, основатель Cray Computers. ERA 1101 была переименована в UNIVAC 1101, а в обновленной версии 1954 года барабан был заменен ферритовой памятью.

По мотивам UNIVAC 1101 компанией Computer Research Corporation (CRC) была создана еще одна барабанная машина – CRC 102A. Она была небольшой и недорогой по тем меркам и удобной для математических расчетов. Однако проще и дешевле была машина LGP-30, созданная Стэнли Френкелем, чрезвычайно одаренным человеком: будучи аспирантом Роберта Оппенгеймера, он участвовал в Манхэттенском проекте и писал программы для расчета атомной бомбы на ENIAC. Он сумел придумать машину, состоящую всего из 119 двойных триодов и 1350 диодов. При весе 450 килограмм ее считали настольной, а стоимость по нынешнему курсу составляла чуть более 400 тысяч долларов. Не удивительно, что ее продали в количестве пятисот штук. В каком-то смысле ее можно считать предтечей мини-компьютеров.

Относительная простота барабанных машин открывала простор для творчества. Пример личного вклада показал Гарри Хаски, студент, которому повезло поработать в команде Моукли и Эккерта над проектами ENIAC и EDVAC, а затем еще год с Аланом Тьюрингом в NPL, когда тот создавал Pilot ACE. В 1953 году он работал в Университете Уэйна в Детройте и параллельно в компании Bendix, где возглавил разработку компьютера G-15, ставшего более удачной реализацией замысла Pilot ACE, чем то, что сделал сам Тьюринг. Со сложностями программирования справились программы INTERCOM 1000, прообраз будущих операционных систем, и компилирующая программа Algo, значительно опередившая появление языка Algol; она позволяла вводить формулы, не зная устройства машины. G-15 комплектовался богатым набором периферийных устройств: от обычных для ввода и вывода перфокарт и телетайпа до специализированного сопроцессора – разностного анализатора и рулонного графопостроителя. Все это богатство поддерживалось процессором из 450 ламп и диском, способным хранить 2160 29-битовых слов. Иногда G-15 называют первым персональным компьютером.

В начале 1950-х IBM начала активно входить в мир электронной обработки данных. Пока в известной серии компьютеров IBM 700 разрабатывались на предприятии компании в Пауккипси, Нью-Йорк, лаборатория в Эндикотте, штат Нью-Йорк, вносила свой вклад в историю информационных технологий – создавая передовую машину, которая в конце 1950-х называлась «рабочей лошадкой современной промышленности».

Самым массовым из барабанных компьютеров стал IBM 650, анонсированный в 1953 году. Название Magnetic Drum Data Processing Machine подчеркивало отличие от выпускавшихся тогда машин серии 700. Они служили для научных расчетов, а IBM 650 предназначался для обработки данных и может рассматриваться как первая попытка заменить табуляторы, занимавшие монопольное положение в государственных учреждениях и бизнесе. О нем говорили: «Это жизненно важный фактор продвижения машин с хранимой в памяти программой в индустрию и в бизнес». Успех превзошел все ожидания: вместо прогнозируемых 500–700 к 1962 году было произведено 2000 IBM 650. Ориентация на барабанную память оправдалась: машина оказалась достаточно надежной для операций с ограниченным объемом вычислений. Барабан диаметром четыре дюйма и длиной шестнадцать дюймов вращался со скоростью 12 500 оборотов в минуту и мог хранить 20 000 чисел, разделенных на 2 000 фрагментов. Для доступа к ним имелась специальная таблица. На протяжении всех лет выпуска IBM 650 машина комплектовалась новой периферией, в том числе магнитными лентами и дисками.

Глава 6. Второе поколение ЭВМ

К середине 1950-х годов вычислительная техника вошла в фазу переосмысления содеянного. Было ясно, что ламповая природа и отсутствие технологий для памяти в машинах первого поколения лишали их будущего, при том, что сами архитектурные принципы – последовательная обработка данных, программное управление, структура из функциональных блоков (память, процессор, устройства ввода-вывода) – показали себя эффективными. Эти принципы могли быть перенесены в конструкции второго поколения почти без изменений, особых новаций не предполагалось. В этом смысле машины второго поколения казались скучнее, чем машины первого.

На этом этапе перед инженерами встала задача не переизобрести компьютер, а используя доступные новые технологии, сделать его быстрее, надежнее и практичнее. Архитектура оставалась знакомой: арифметико-логическое устройство, устройство управления, память, шины обмена, периферийные устройства. Однако уже в это время появились первые попытки стандартизации интерфейсов и модульного построения. ЭВМ начали проектировать не как уникальные изделия, а как модели в линейке со сменными или масштабируемыми блоками. Яркий пример – элементная база «Урал-10», позволявшая строить на ее основе универсальные машины «Урал-14» и «Урал-16», а также управляющие машины.

Кроме того, появились в зародыше операционные системы, хотя до полноценных ОС оставались годы. Например, использовались мониторы пакетной обработки (batch monitors), которые управляли запуском программ с перфокарт и контролировали порядок выполнения заданий без участия оператора. Одна из них Мониторная система «Дубна» была разработана в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне в начале 1960-х годов. Она предназначалась для автоматизации вычислений на советских ЭВМ второго поколения, в первую очередь на машинах типа БЭСМ-2, М-20 и БЭСМ-4.

Появление языков программирования Fortran, Algol и Cobol, ассемблеров и первых трансляторов ускорило написание программ и сделало вычислительные машины более доступными для прикладных специалистов. ЭВМ становилась не просто инструментом расчетов, а многофункциональной вычислительной системой.

Начало второго поколения вычислительной техники связывают с переходом от электронных ламп к транзисторам. Этот шаг оказался не просто инженерным улучшением: транзисторы сделали компьютеры надежнее, компактнее и доступнее. Первые образцы показали, как быстро может измениться представление о вычислительной машине.

• TRADIC (1954, Bell Labs, США) – один из первых экспериментальных компьютеров, в котором использовались почти исключительно транзисторы. Он показал, что новая элементная база может заменить лампы и при этом потреблять в сотни раз меньше энергии. Хотя машина была специализированной и не получила широкого распространения, именно с нее начался практический путь к транзисторным ЭВМ.

• TX-0 (1956, MIT, США) – первый полностью транзисторный универсальный компьютер. Построенный в Массачусетском технологическом институте, он был относительно мал по размерам и стал удобной исследовательской платформой. На TX-0 программисты впервые опробовали новые методы взаимодействия с машиной, включая использование дисплея и клавиатуры – черты, которые позже станут привычными.

• Philco Transac S-2000 (1957, США) – первая серийная коммерческая ЭВМ, выполненная на транзисторах. В отличие от лабораторных экспериментов, эта машина уже предназначалась для клиентов и стала символом перехода индустрии к массовому выпуску «второпоколенных» компьютеров.

Революция в элементной базе и памяти

Транзисторы

Самым важным техническим рубежом, отделяющим второе поколение ЭВМ от первого, стала новая элементная база. На смену вакуумным лампам пришли транзисторы – компактные полупроводниковые приборы, обладавшие целым рядом преимуществ: они были надежнее, работали без нагрева, потребляли меньше энергии, не требовали сложного питания и занимали в десятки раз меньше места.

Ламповая ЭВМ – это, как правило, громоздкая конструкция, требующая систем вентиляции и регулярного технического обслуживания. Отказ даже одной лампы мог остановить всю машину. Транзисторы же обеспечили радикальное повышение отказоустойчивости и снижение эксплуатационных издержек.

Сравним по надежности ламповый UNIVAC I (1951) и транзисторный UNIVAC III (1962).

• UNIVAC I Средняя наработка на отказ (MTBF) составляла 100–200 часов. Причины отказов: лампы перегревались и выгорали, соединения и контакты реле изнашивались, возникали проблемы с питанием и охлаждением. Особенности эксплуатации: требовалась постоянная замена ламп, техническое обслуживание было почти непрерывным.

• UNIVAC III (1962). MTBF на порядок выше 1000–2000 часов и более. Причины отказов в основном связаны с периферией, питающими цепями и редко с транзисторами. Транзисторная конструкция позволила уменьшить тепловыделение, повысить скорость и стабильность работы, снизить потребность в постоянном обслуживании.

Ферритовая революция

Наряду с арифметикой и логикой, огромный шаг вперед был сделан в области оперативной памяти. Машины первого поколения использовали довольно экзотические и ненадежные методы хранения данных: линии задержки, ртутные трубки, электростатические накопители. Все эти решения были медленными, сложными и, как современная полупроводниковая память, требовали постоянного питания.

Ферритовая память – изобретение, основанное на использовании крошечных магнитных колец – стала технологическим прорывом. Каждый феррит хранил один бит, а состояние (0 или 1) определялось направлением намагниченности. Главное преимущество: ферритовая память была энергонезависимой – данные сохранялись даже при отключении питания. Кроме того, она отличалась высокой скоростью (до десятков микросекунд доступа) и долговечностью.

Например, в БЭСМ-6, одной из самых известных советских ЭВМ, использовалась ферритовая память с временем доступа около двух микросекунд. Такая скорость по тем временам считалась выдающейся и позволяла выполнять десятки тысяч операций в секунду.

Ферритовая память стала стандартом индустрии на два десятилетия. Даже с появлением полупроводников ее продолжали использовать – настолько она оказалась удачным компромиссом между стоимостью, скоростью и надежностью.

Внешняя память: магнитная эра

Второе поколение ЭВМ ознаменовалось также переходом от сугубо ручного ввода данных к автоматизированным средствам. Перфокарты и перфоленты, конечно, еще широко использовались много лет. К тому же появились и другие новые периферийные устройства: алфавитно-цифровые печатающие устройства, световые табло, управляющие консоли. Машины стали взаимодействовать с человеком не только через механические устройства, но и через специализированные программные интерфейсы.

Одновременно развивалась система внешней памяти. Магнитные ленты, барабаны и диски дали возможность хранить программы и данные вне оперативной памяти. Это открыло путь к хранению больших массивов информации, к созданию библиотек подпрограмм и первым попыткам реализации файловых систем.

Первый серийный дисковый накопитель IBM 305 RAMAC (1956) весил более тонны, содержал 50 дисков по 24 дюйма и вмещал всего пять мегабайт данных – объем, меньше обычной фотографии на современном смартфоне. Накопители второго поколения были медленными и громоздкими, но они сделали возможным то, что сегодня кажется само собой разумеющимся: работу с базами данных, сохранение результатов вычислений,

Компьютеры новых типов

Основную массу компьютеров второго поколения составили мэйнфреймы, о них ниже, но облегченные по сравнению с ламповыми транзисторные технологии открыли возможность для создания экспериментальных компьютеры новых типов, они нашли свое продолжение позже с появлением микросхем. Упомянем ставшие наиболее известными и вошедшими в историю.

TRADIC, первый шаг в эпоху транзисторов

В 1954 году инженеры Bell Labs представили опытный компьютер TRADIC – одну из первых в мире машин, построенных почти полностью на транзисторах. Изначально проект создавался для Военно-воздушных сил США, где его задача заключалась не в массовых вычислениях, а в демонстрации возможностей новой элементной базы. TRADIC должен был показать, что транзисторы способны заменить громоздкие и ненадежные электронные лампы, лежавшие в основе всех предыдущих компьютеров.

Машина состояла примерно из 800 транзисторов и около 10 тысяч диодов, что по тем временам было настоящим техническим подвигом. По производительности TRADIC уступал ламповым мэйнфреймам, но его главное преимущество заключалось в энергопотреблении и надежности. Вместо десятков киловатт, которые требовали ламповые компьютеры, TRADIC потреблял лишь несколько сотен ватт. Эта экономия энергии и уменьшение размеров позволили представить вычислительную технику в совсем новом свете: компактной и потенциально более доступной.

Инженеры столкнулись с целым рядом вызовов: транзисторы того времени были еще не полностью стандартизированы, их характеристики отличались от единицы к единице, а схемотехника приходилось проектировать практически «с нуля». Несмотря на эти сложности, TRADIC успешно выполнял свои расчетные задачи, что стало первым убедительным доказательством работоспособности транзисторной логики в реальных условиях.

Хотя TRADIC так и не превратился в массовый продукт, он сыграл ключевую роль в истории вычислительной техники. Он показал, что компьютеры могут быть меньше, надежнее и проще в обслуживании, закладывая основы второго поколения ЭВМ. Можно сказать, что TRADIC стал символом переходного этапа – от ламповых гигантов к машинам, которые вскоре перестанут быть экзотикой и станут частью лабораторий и исследовательских центров.

TX-0: лаборатория будущего

В 1956 году в Массачусетском технологическом институте (MIT) появился TX-0 – первый полностью транзисторный универсальный компьютер. В отличие от TRADIC, который был демонстрационным образцом для военных, TX-0 создавался как рабочий инструмент для научных и учебных экспериментов.

Машина занимала несколько шкафов, но выглядела компактной по меркам того времени. Ее уникальной особенностью был дисплей на основе осциллографа и клавиатура, что позволило операторам взаимодействовать с компьютером напрямую. Это было настоящим прорывом: вместо пакетной обработки на перфокартах пользователи могли сразу видеть результат своих команд на экране.

TX-0 быстро стал «игровой площадкой» для инженеров и студентов. На нем пробовали создавать первые графические программы, текстовые редакторы и даже музыкальные синтезаторы. Именно здесь зародилась культура «игры с компьютером», которая позже получила название «хакерская». Машина показала, что транзисторный компьютер может быть не только средством расчетов, но и платформой для творчества и экспериментов.

Philco Transac: коммерческая реальность

В 1950-хкомпания Philco активно разрабатывала транзисторы и в 1957 году выпустила Transac S-2000 – первую серийную коммерческую ЭВМ на транзисторах, сделав значительный вклад в начало второго поколения компьютеров. В отличие от лабораторных образцов, эта машина была рассчитана на практическое использование: ее могли приобрести университеты, исследовательские центры и предприятия.

Transac использовал новые высокоскоростные диффузионные транзисторы, что делало его быстрее и надежнее большинства ранних машин. Машина была способна выполнять разнообразные научные и инженерные задачи, а также обрабатывать большие объемы данных. Этот компьютер стал первым ярким примером того, что транзисторная техника выходит из лабораторий в массовое применение.

Transac доказал, что транзисторные компьютеры – это не только экспериментальные устройства, но и надежная рабочая техника, способная заменить ламповые мэйнфреймы. Его выпуск ознаменовал начало эпохи второго поколения ЭВМ, когда новые технологии стали стандартом для промышленности и науки.

PDP-1: машина, с которой началась культура «хакеров»

В 1960 году в университетских лабораториях Массачусетского технологического института появился новый гость – PDP-1. В отличие от привычных мэйнфреймов, занимавших целые залы и требовавших армии операторов, этот компьютер выглядел почти «домашним»: несколько шкафов, пульт управления, а главное – подключенный к нему дисплей.