Компьютер Manchester Baby (1948)

Проблема памяти

Первые электронные вычислительные машины, созданные в годы Второй мировой войны, - британский «Колосс» и американский ENIAC - были поразительно быстрыми, но перенастройка их на новую задачу требовала переключения сотен кабелей и тумблеров, на что уходили часы и дни. Программа существовала не внутри машины, а в ее проводке.

Решение было теоретически ясно уже в середине 1940-х годов. Еще в 1936 году британский математик Алан Тьюринг описал «универсальную машину», которая читает инструкции с той же ленты, где записаны данные. В июне 1945 года Джон фон Нейман в «Первом проекте отчета о EDVAC», обобщив обсуждения с создателями ENIAC, изложил принцип компьютера, хранящего программу в той же памяти, что и данные. В 1946 году Тьюринг представил в Национальной физической лаборатории Великобритании детальный проект подобной машины - ACE.

Главным препятствием была память. Компьютеру с хранимой программой нужно было быстро записывать и считывать сотни и тысячи чисел. Существовавшие решения - ртутные линии задержки, где информация циркулировала в виде звуковых импульсов в трубках с ртутью, - были громоздкими и сложными. Нужна была надежная, быстрая и сравнительно дешевая электронная память.

Инженеры радара

Ответ нашли инженеры, прошедшие школу военной радиолокации. Фредерик Уильямс, работавший во время войны в британском Научно-исследовательском институте связи, где создавались радары, в 1946 году занялся проблемой хранения данных на экране электронно-лучевой трубки, похожей на экран радара или телевизора. Он обнаружил, что луч, падая на люминофорный экран, оставляет на нем крошечный электрический заряд, который сохраняется доли секунды. Если регулярно считывать и обновлять эти заряды, трубка может хранить двоичные числа: точка и черточка обозначали ноль и единицу. Так родилась «трубка Уильямса», позднее названная также «трубкой Уильямса - Килберна».

В декабре 1946 года Уильямс стал профессором электротехники в Манчестерском университете и продолжил работу вместе с молодым инженером Томом Килберном, который тоже работал над радарами и под руководством Уильямса быстро стал ведущим специалистом проекта. К ним присоединился Джефф Тутилл. Финансировал работу британский военный исследовательский центр, а поддержку обеспечивал профессор математики Макс Ньюман, участник работы над «Колоссом» в Блетчли-парке, получивший грант Королевского общества на создание вычислительной лаборатории.

К 1947 году Килберну удалось надежно хранить на одной трубке 2048 бит. Чтобы доказать, что трубка способна работать как настоящая компьютерная память в условиях постоянных обращений, решили построить простейший компьютер.

Простейший компьютер

Машина, построенная в 1948 году, была действительно скромной. Ее память на одной трубке Уильямса содержала всего 32 слова по 32 бита - 1024 бита, то есть 128 байт в современных единицах. Две дополнительные трубки служили регистрами: в одной хранились текущая команда и ее адрес, в другой - результат вычислений («аккумулятор»). Машина собиралась из стандартных военных деталей и занимала несколько стоек с электронными лампами - около 550 ламп. На экране четвертой трубки можно было видеть содержимое памяти в виде точек и черточек.

Набор команд был предельно минималистичным - всего семь команд: загрузка числа с изменением знака, вычитание, запись в память, безусловный переход, относительный переход, пропуск следующей команды при отрицательном результате и остановка. Сложения в машине не было: его заменяли вычитанием и сменой знака. Программы вводили вручную, бит за битом, с помощью переключателей на панели. Машина выполняла около 700 команд в секунду.

21 июня 1948 года

Первую программу написал Том Килберн. Ее задача была выбрана так, чтобы проверить работу машины, а не получить полезный результат: найти наибольший собственный делитель числа 2 в 18-й степени, то есть 262 144. Программа перебирала все числа, начиная с 262 143 и уменьшая их, и проверяла делимость многократным вычитанием - медленный способ, требовавший огромного числа операций и проверявший надежность памяти.

21 июня 1948 года, в понедельник, программа из 17 команд выполнилась. Машина проработала 52 минуты, совершив около 3,5 миллиона операций, и на экране трубки появился правильный ответ - 131 072. Уильямс позднее вспоминал, что, когда на экране появился правильный ответ, это был момент, после которого ничто уже не было прежним. Впервые в истории электронная машина выполнила программу, записанную в ее собственной перезаписываемой памяти.

В последующие недели машина выполнила и другие программы, в том числе программу деления, написанную Тутиллом. Работа продолжалась, и в июле 1948 года машина надежно проработала несколько часов подряд.

Тьюринг в Манчестере

Осенью 1948 года, разочаровавшись в медленном продвижении проекта ACE в Национальной физической лаборатории, в Манчестер переехал Алан Тьюринг, ставший заместителем директора вычислительной лаборатории. Он писал программы для новых машин, составил одно из первых руководств по программированию и размышлял о машинном интеллекте. В 1950 году, работая в Манчестере, он опубликовал статью «Вычислительные машины и разум», где предложил знаменитый «тест Тьюринга» для ответа на вопрос, может ли машина мыслить.

От «Малыша» к первому серийному компьютеру

«Малыш» быстро вырос. На его основе в 1949 году была построена Манчестерская Марк I - полноценный компьютер с большей памятью, магнитным барабаном в качестве дополнительной памяти и расширенным набором команд. Британское правительство заказало электротехнической компании «Ферранти» промышленную версию, и в феврале 1951 года первый компьютер «Ферранти Марк I» был установлен в Манчестерском университете. Он стал первым в мире серийно выпускавшимся компьютером общего назначения, опередив на несколько недель американский UNIVAC I.

На машинах «Ферранти» были написаны одни из первых программ, выходивших за пределы научных расчетов. Кристофер Стрейчи в 1952 году создал программу для игры в шашки и программу, сочинявшую шуточные любовные письма. В 1951 году Би-би-си записала, как компьютер исполняет мелодии, в том числе британский гимн, - одну из первых записей компьютерной музыки.

Трубки Уильямса стали использовать и другие разработчики, в том числе в США в компьютере IBM 701 и в машине, построенной фон Нейманом в Принстоне. Однако вскоре их вытеснила более надежная память на магнитных сердечниках.

Создатели

Фредерик Калланд Уильямс родился в 1911 году под Манчестером, учился в Манчестерском университете и Оксфорде. В годы войны он был одним из ведущих разработчиков британских радаров и системы опознавания «свой - чужой», а после войны получил известность как изобретательный инженер, способный быстро превращать идеи в работающие устройства. Позднее он был удостоен рыцарского звания и избран членом Королевского общества.

Том Килберн, уроженец Йоркшира, изучал математику в Кембридже и в годы войны после ускоренного курса электроники был направлен в радиолокационный институт, где стал помощником Уильямса. Именно он сделал большую часть работы по усовершенствованию трубки Уильямса и по проектированию «Малыша», а затем руководил созданием всех последующих манчестерских машин. В 1962 году под его руководством был создан компьютер «Атлас», в котором впервые была реализована виртуальная память - технология, без которой немыслимы современные операционные системы. Некоторое время «Атлас» считался одним из самых мощных компьютеров в мире.

Джефф Тутилл, молодой инженер, пришедший в проект из того же радиолокационного института, вел подробный лабораторный журнал, благодаря которому историки знают ход работ по дням.

Секреты и признание

Работы над компьютерами в послевоенной Британии оставались в тени. «Колосс», построенный в Блетчли-парке, был засекречен до 1970-х годов, и его создатели не могли рассказывать о своем опыте. Манчестерские инженеры опубликовали сообщение о своей машине в журнале «Нейчур» в сентябре 1948 года, но широкая публика узнала о «Малыше» гораздо позже. Американские машины, такие как ENIAC, получили известность раньше, и долгое время в популярной истории считалось, что компьютер был изобретен в США. Лишь к 50-летию запуска в 1998 году история манчестерской машины стала широко известной.

Гонка за первенство

Манчестерская машина опередила несколько параллельных проектов. В Кембриджском университете группа Мориса Уилкса строила EDSAC на ртутных линиях задержки; 6 мая 1949 года он выполнил первую программу и стал первым компьютером с хранимой программой, использовавшимся для регулярной научной работы. В США в 1949 году заработали BINAC Эккерта и Мокли, а затем EDVAC, в Австралии - CSIRAC. В Советском Союзе в 1950-1951 годах в Киеве под руководством Сергея Лебедева была создана МЭСМ - малая электронная счетная машина.

Итоги

• Манчестерская машина впервые в истории выполнила программу, хранившуюся в ее собственной электронной перезаписываемой памяти, доказав практическую осуществимость концепции компьютера с хранимой программой.
• Трубка Уильямса стала первой практичной формой электронной оперативной памяти с произвольным доступом и использовалась в ряде ранних компьютеров.
• На основе «Малыша» были созданы Манчестерская Марк I и «Ферранти Марк I» - первый коммерческий компьютер общего назначения.
• Манчестер стал одним из центров ранней компьютерной науки, где работали Тьюринг, Ньюман, Уильямс и Килберн; Килберн позднее основал в Манчестерском университете один из первых в Великобритании факультетов информатики.
• Принцип хранения программы в общей памяти с данными лежит в основе почти всех современных компьютеров. В 1998 году, к 50-летию запуска, в Манчестере была построена действующая копия машины, хранящаяся в Музее науки и промышленности.