Что такое реле в компьютере

Мои маленькие реле: Brainfuck компьютер это магия

Введение

Давным давно, когда вокруг все было большим, а я маленьким, читал я книгу Войцеховского «Радиоэлектронные игрушки», горя желанием воплотить в жизнь те или иные описанные в ней устройства. Так, в уже тоже далеком 2008-м году, из нескольких десятков электромагнитных реле было собрано 4-разрядное АЛУ (РЦВМ1 — Релейная Цифровая Вычислительная Машина — версия 1) способное складывать и вычитать. И задумал я тогда — а что если собрать существенно большее количество реле и построить полноценный релейный компьютер? На неспешную сборку реле то здесь то там до требуемого количества ушло всего 8 лет, и я начал творить.

Разрешите представить Вам свой проект по созданию второй версии релейной цифровой вычислительной машины, с кодовым названием «BrainfuckPC» — 16-разрядной компьютер с Фон-Неймановской архитектурой и набором инструкций для языка Brainfuck. Работы по проектированию завершены, и я в процессе изготовления сего монстра.

1 Технические характеристики

Общий принцип работы

Рассмотрим обобщенную структуру компьютера:

Рисунок 1: Обобщенная структура компьютера

Центральным элементом является Сумматор, причем не простой, а с параллельным переносом. Зачем это нужно — расскажу чуть ниже.

Программа и данные хранятся в блоке памяти. Доступ к ним осуществляется по адресу, записанному в регистре инструкций IP, либо в регистре адреса AP, исходя из того, что мы сейчас хотим прочитать — данные по адресу, указанному в AP, либо инструкцию, записанную по адресу IP.

Чтобы оперировать этой лентой Тьюринга (а Brainfuck язык программирования отождествляет именно её), нам надо иметь возможность совершить одно из трех действий:

Итого нам надо иметь возможность подавать на один вход сумматора значение любого из следующих трех блоков — AP-регистра, IP-регистра, DATA-шины. Делать это будем через временный регистр, в котором будем сохранять одно из требуемых значений, подключая нужный с помощью 16-разрядных ключей.

На второй вход сумматора будем подавать число, на которое одно из этих значений должно изменяться в плюс или минус. В виду ограниченной ширины инструкции, изменять можно только на +-12битное число. Впрочем для Brainfuck это более чем достаточно(«хватит всем», ага).
Брать эти 12 бит мы будем с регистра команд, при наличии таких команд естественно, ибо часть команд не использует сумматор вовсе. Не забудем что отрицательные числа будут подаваться в дополненном коде, с подачей на доп. вход переноса единицы (т.е. будет A+ invB + 1)

Результат вычисления сразу загружаем туда, откуда мы его взяли. Из-за временного регистра делать это мы можем безболезненно.

Более подробно (я бы даже сказал — занудно) об архитектуре можно узнать из этого видео:

Набор инструкций

Нарисовав общую принципиальную схему, способную реализовать 8 основных Brainfuck-инструкций, я понял, что у нее гораздо больший потенциал. Поэтому я разработал более широкий набор инструкций, совместимый с Brainfuck, однако требующий компиляции каждой исходной Brainfuck-инструкции в 16-разрядную инструкцию компьютера.

Общее описание инструкции

Все инструкции 16-разрядные. Формируются из нескольких частей.

Таблица инструкций

Есть и простенький эмулятор. Эмулятор в момент написания статьи также поддерживает только основные 8 инструкций. Вот что он творит с программой фрактала:

Время выполнения — чуть меньше 10 секунд. Найденная на полях адекватная LLVM версия справляется за 0,9 секунд. О том как я с помощью Intel Vtune Amplifier оптимизировал свой эмулятор и разгонял с 120 секунд до 10 заслуживает отдельной статьи.

Но важно не это. Чтобы вывести этот фрактал, потребовалось 3 миллиарда оптимизированных brainfuck-инструкций. С учетом проектной частоты в 100Гц и 50 строк текста мы получаем 347 машинных дней — т.е. почти ГОД на одну программу, или строчка вывода в неделю! По факту первую строчку мы дождемся к концу первых суток, но чем дальше, тем медленнее. С другой стороны это самый быстрый релейный компьютер из всех существующих и проектируемых.

За сим, информация по существу закончилась, поэтому предлагаю посмотреть небольшой видеообзор других релейных компьютеров, существующих в природе

Вот здесь находится наиболее полный на мой взгляд список всех релейных машин на данный момент.

Мыслишки

Хочу заиспользовать часть запасов вакуумных индикаторов ИВ-6 в виде длинного табло в верхней части машины, выводящего в реальном времени значения всех регистров, а также общее число исполненных инструкций и общее время работы компьютера. Но здесь я никак не могу определиться с источником этих данных — МК в плате памяти забит под завязку, да и часть значений он способен лишь эмулировать. Лучший вариант — считывать значения напрямую. По схеме управления самими ИВ-шками тоже не могу прийти к единому мнению — делать динамическую индикацию на 30-40 ИВ-шек проблематичнее чем для 6 штук настольных часов.

ЗАЧЕЕЕЕМ. 777

Ссылки

Весь проект в openSource. Посему вот основные ссылки по проекту:

Источник

Что такое реле

Приветствую друзья!

Мы с вами изучили уже многие «кирпичики» электроники — полупроводниковые диоды, полевые и биполярные транзисторы, резисторы, конденсаторы.

Когда знаешь, как работает составные части — легче понять, как работает устройство целиком.

Сегодня мы еще уменьшим хаос в наших головах и разберемся, как устроено и как работает реле.

Приготовьтесь испытать радость познания!

Что такое электромагнитное реле?

Электромагнитное реле (далее — реле) – это устройств, позволяющее посредством небольших токов управлять большими токами.

Мы уже сталкивались ранее с подобными устройствами. Да, когда изучали биполярные и полевые транзисторы. Так, в биполярном транзисторе небольшой ток базы управляет гораздо большим (в десятки и сотни раз) током коллектора.

Отметим, что транзисторы, в отличие от реле, гораздо более быстродействующие приборы, и могут управлять более высокочастотными сигналами. Но реле в целом более надежная штука, чем полупроводниковый транзистор.

В электромагнитном реле, в отличие от биполярного транзистора, управляющая цепь гальванически развязана от силовой, что, в общем случае, является преимуществом.

Как устроено электромагнитное реле?

Электромагнитное реле — это электромеханическая система, состоящая, в самом простом случае, из катушки с проводом (обмотки), помещенной на металлический сердечник и подвижной части (якоря), соединенного с пружинящими контактными пластинами. Работа его основана на принципе электромагнитной индукции.

При подаче напряжения на обмотку по ней протекает ток, возникает электромагнитная индукция, намагничивающая сердечник из магнитомягкого материала.

Магнитомягкий материал представляет собой специальный сплав на основе железа, который быстро намагничивается и быстро теряет намагниченность при исчезновении электромагнитного поля.

При определённой величине тока в обмотке сила притяжения сердечника превышает силу упругости пружины якоря — и якорь притягивается к сердечнику.

С якорем соединены механические элементы с гибкими контактами, которые при притяжения якоря к сердечнику замыкаются или размыкаются, в зависимости от конкретной конструкции.

Одно реле может иметь несколько групп контактов.

Для уменьшения переходного сопротивления рабочие части контактов покрывают благородными металлами (золото, палладий) или сплавами на основе серебра, кадмия и других металлов. Вид покрытия контактов влияет на стоимость реле в целом.

Для защиты обмотки и контактов от внешних воздействий вся конструкция очень часто помещается в закрытый корпус. На корпус наносится маркировка.

Герконовые реле

Существует такая разновидность электромагнитных реле как герконовое реле.

Геркон — это сокращение от слов «герметизированный контакт».

В обычном реле в большинстве случаев контакты работает в окружающем воздухе, в котором содержатся водяные пары, пыль и кислород, способствующий окислению рабочих поверхностей.

В герконах же контакты находятся в герметичной стеклянной капсуле, которая может быть заполнена осушенным воздухом, инертным газом или вакуумом.

Капсула с контактами помещается внутри обмотки.

Следствием этого является гораздо больший ресурс работы, превышающий на порядок ресурс обычных контактов.

Так, обычно реле должно обеспечить порядка 100 000 срабатываний контактов.

Герконовое же может обеспечить миллион срабатываний и более.

Впечатляющая разница, не так ли?

Капсула с контактами может быть заполнена ртутью для уменьшения электрического сопротивления.

Обозначение реле схемах

Теперь давайте перейдем к практике и посмотрим, как электромагнитные реле обозначаются в схемах.

В отечественной технической литературе обмотка реле обозначается прямоугольником, контакты — соединенными или разъединенными короткими отрезками линий. Если реле имеет две обмотки, то в прямоугольнике изображаются две косые линии. Герконовые контакты обводят кружком, символизирующим капсулу, в которую они помещены. Возле обмотки реле наносится его порядковый номер в схеме (К1, К2, К3 и т.д.)

Изображения контактов реле могут располагаться как вблизи от изображения обмотки, так и в других местах схемы. Чтобы не было путаницы, контакты реле также обозначают буквенно-цифровыми символами. Если есть несколько реле, обозначенных как К1, К2, К3, то контакты обозначают, соответственно, К1.1, К2.1, К3.1 и т.д.

Если у какого-то реле несколько групп контактов, то изменяется последняя цифра – К1.1, К1.2, К1.3 и т.д.

В иностранной технической литературе обмотка реле может обозначаться как катушка индуктивности (чем она по факту и является) с буквенным обозначением RY, Relay.

Контакты реле

Как уже видно из обозначений, контакты реле могут быть в исходном состоянии (без подачи напряжения на обмотку) замкнутыми или разомкнутыми. Соответственно, они называются нормально замкнутыми (Normally Closed, NC) или нормально разомкнутыми (Normally Open, NO).

Очень часто контактная группа содержит и нормально замкнутый, и нормально разомкнутый контакт.

Это при подаче напряжение на обмотку контакты как бы меняются местами: нормально замкнутый становится разомкнутым, а нормально разомкнутый замыкается.

Такую совокупность нормально замкнутого и нормально разомкнутого контакта называют переключающим контактом.

В англоязычной литературе для описания контактов используются специальные аббревиатуры:

SPST (Single Pole, Single Throw) — один полюс, одно направление. Другими словами – это один нормально замкнутый или нормально разомкнутый контакт.

SPDT (Single Pole, Double Throw) — один полюс, два направления. Это комбинация нормально замкнутого и нормально разомкнутого контакта. Иными словами – переключающий контакт. При этом один из полюсов (контактов) называется общим (СOM), а другие – NC (с которым COM замкнут) и NO (с которым COM разомкнут).

DPST (Double Pole, Single Throw) — два полюса, одно направление. Это две группы контактов, комбинация из двух переключателей SPST, которые переключаются одновременно.

DPDT (Double Pole, Double Throw) — два полюса, два направления. Это также две группы контактов, комбинация из двух переключателей SPDT, которые переключаются одновременно.

Нормально разомкнутые контакты могут именоваться SPNO (Single Pole, Normally Open), DPNO (Double Pole, Normally Open), нормально закрытые — SPNC (Single Pole, Normally Closed), DPNC (Double Pole, Normally Closed).

В даташитах для обозначения контактов реле используются и другие обозначения:

Перед буквой может стоять цифра, обозначающая количество групп контактов.

Так, например, 1А обозначает одну группу из одного нормально разомкнутого контакта, 2В – две группы, каждая из которых имеет один нормально замкнутый контакт, 3С – три группы, каждая из которых имеет один переключающий контакт.

Где применяются электромагнитные реле?

Электромагнитные реле широко применяются в источниках бесперебойного питания (ИБП, UPS).

С помощью производится переход с сетевого питания на батарейное и обратно.

Сколько я видел бесперебойников самых различных моделей – везде были релюшки!

В моделях с автотрансформатором они коммутируют обмотки, обеспечивая нужное напряжение на выходе при изменении его на входе.

Заканчивая первую часть статьи, отметим: если вы слышите щелчки в вашем ИБП — это переключаются реле. Обычно их там несколько штук.

Источник

Забытое поколение релейных компьютеров

В нашей предыдущей статье описывался расцвет автоматических телефонных коммутаторов, которыми управляли с помощью релейных схем. На этот раз мы хотим рассказать о том, как учёные и инженеры разрабатывали релейные схемы в первом — теперь уже забытом — поколении цифровых компьютеров.

Реле в зените

Если помните, работа реле основана на простом принципе: электромагнит оперирует металлическим переключателем. Идею реле в 1830-х независимо друг от друга предложили несколько естествоиспытателей и предпринимателей в сфере телеграфного бизнеса. Затем в середине XIX века изобретатели и механики превратили реле в надёжный и незаменимый компонент телеграфных сетей. Именно в этой сфере жизнь реле достигла зенита: его миниатюризировали, а поколения инженеров создали несметное множество конструкций, формально обучаясь математике и физике.

В начале XX века не только автоматические коммутационные системы, но и практически всё оборудование телефонных сетей содержало в себе те или иные виды реле. Одно из наиболее ранних применений в телефонной связи относится к 1870-м, в ручных коммутаторах. Когда абонент крутил рукоятку телефона (рукоятку магнето), на телефонную станцию поступал сигнал, включающий бленкер. Бленкер — это реле, при срабатывании которого на коммутационном столе у телефонного оператора падала металлическая заслонка, что говорило о поступлении входящего вызова. Тогда барышня-оператор вставляла штекер в разъём, реле сбрасывалось, после чего можно было снова поднять заслонку, которую в таком положении удерживал электромагнит.

К 1924-му, как писали два инженера компании Bell, типичная ручная телефонная станция обслуживала около 10 тысяч абонентов. В её оборудовании содержалось 40—65 тысяч реле, чья суммарная магнитная сила была «достаточна для поднятия 10 тонн». В больших телефонных станциях с машинными коммутаторами эти характеристики умножались на два. Во всей телефонной системе США использовались многие миллионы реле, и их количество постоянно увеличивалось по мере автоматизации телефонных станций. Одно телефонное соединение могли обслуживать от единиц до нескольких сотен реле — в зависимости от количества и оснащённости вовлечённых телефонных станций.

Фабрики компании Western Electric, производственной структуры корпорации Bell, выпускали огромный ассортимент реле. Инженеры создали столько модификаций, что этому разнообразию позавидовали бы самые искушённые собаководы или голубятники. Скорость работы и чувствительность реле оптимизировались, размеры уменьшались. В 1921-м Western Electric произвела почти 5 миллионов реле ста основных типов. Самым массовым было универсальное реле Type E, плоское, практически прямоугольное устройство, весившее несколько десятков граммов. По большей части оно изготавливалось из штампованных металлических частей, т. е. было технологичным в производстве. Корпус защищал контакты от пыли и наведённых токов от соседних устройств: обычно реле монтировались вплотную друг к другу, в стойки с сотнями и тысячами реле. Всего было разработано 3 тысячи вариантов Type E, каждый из которых отличался конфигурациями намотки и контактов.

Вскоре эти реле начали использовать в наиболее сложных коммутаторах.

Координатный коммутатор

В 1910 году у Готтхильфа Бетуландера (Gotthilf Betulander), инженера Royal Telegrafverket — государственной корпорации, контролировавшей большую часть шведского телефонного рынка (в течение десятилетий — почти весь), — возникла идея. Он верил, что может очень сильно улучшить эффективность операций Telegrafverket за счёт строительства автоматических коммутационных систем, полностью основанных на реле. Точнее, на релейных матрицах: решётках из стальных прутьев, подключённых к телефонным линиям, с реле в местах пересечения прутьев. Такой коммутатор должен работать быстрее, надёжнее и быть проще в обслуживании по сравнению с системами на основе скользящих или вращающихся контактов.

Более того, Бетуландер придумал, что можно выделить части системы, отвечающие за выбор и соединение, в независимые релейные схемы. А оставшаяся часть системы должна использоваться только для установки речевого канала, а затем освобождаться для обслуживания другого вызова. То есть Бетуландер пришёл к идее, которую позднее назвали «общее управление» (common control).

Схему, хранящую номер входящего вызова, он назвал «рекордер» (другой термин — регистр). А схему, которая находит в решётке и «помечает» доступное подключение, назвал «маркер». Автор запатентовал свою систему. Несколько таких станций появилось в Стокгольме и Лондоне. А в 1918-м Бетуландер узнал об американском нововведении: координатном коммутаторе, созданном инженером Bell Джоном Рейнольдсом пять лет назад. Этот коммутатор очень походил на разработку Бетуландера, но в нём использовалось n + m реле для обслуживания n + m узлов матрицы, что было гораздо удобнее для дальнейшего расширения телефонных станций. При установке соединения удерживающая рейка зажимала «пальцы» из рояльных струн, а выбирающая рейка перемещалась по матрице для соединения с другим вызовом. На следующий год Бетуландер внедрил эту идею в конструкцию своего коммутатора.

Но большинство инженеров считали творение Бетуландера странным и излишне сложным. Когда пришло время выбирать коммутационную систему для автоматизации сетей крупнейших шведских городов, Telegrafverket отдала предпочтение конструкции, разработанной в компании Ericsson. Коммутаторы Бетуландера использовались только в небольших телефонных станциях в сельской местности: реле были надёжнее моторизированной автоматики коммутаторов Ericsson и не требовали обслуживающих техников на каждой станции.

Однако американские телефонные инженеры имели другое мнение на этот счёт. В 1930-м специалисты Bell Labs приехали в Швецию и были «очень впечатлены параметрами координатного коммутационного модуля». Вернувшись, американцы немедленно начали работать над тем, что потом стало известно как «координатная система № 1», заменившая панельные коммутаторы в больших городах. К 1938-му две такие системы были установлены в Нью-Йорке. Вскоре они превратились в стандартное оборудование для городских телефонных станций, пока более чем через 30 лет им на смену не пришли электронные коммутаторы.

Самым интересным компонентом координатного коммутатора № 1 стал новый, более сложный маркер, разработанный в Bell. Он предназначался для поиска свободного маршрута от вызывающего к вызываемому через несколько соединяемых друг с другом координатных модулей, благодаря чему создавалось телефонное подключение. Также маркер должен был тестировать каждое соединение на состояние «свободно»/«занято». Это требовало применения условной логики. Как написал историк Роберт Чапиус (Robert Chapuis):

Выбор условен, потому что свободное соединение удерживается только в том случае, если оно обеспечивает доступ к координатной рейке, у которой в качестве выхода есть свободное соединение со следующим уровнем. Если несколько наборов соединений удовлетворяют нужным условиям, то «приоритетная логика» (preferential logic) выбирает одно из [существующих] самых малочисленных соединений…

Координатный коммутатор — прекрасный пример взаимного обогащения технологических идей. Бетуландер создал свой полностью релейный коммутатор, затем улучшил его коммутирующей матрицей Рейнольдса и доказал работоспособность получившейся конструкции. Инженеры AT&T позже переработали этот гибридный коммутатор, улучшили его и создали координатную систему № 1. Затем эта система стала компонентом двух ранних вычислительных машин, одна из которых ныне известна как веха в истории вычислительной техники.

Математические вычисления (Mathematical labor)

Чтобы понять, как и почему реле и их электронные кузины помогли совершить революцию в вычислительной технике, нам понадобится короткий экскурс в мир математических вычислений. После него станет понятно, почему возник скрытый спрос на оптимизирование вычислительных процессов.

К началу XX века вся система современной науки и инженерии базировалась на труде тысяч людей, выполнявших математические расчёты. Они назывались компьютерами (computers) [Чтобы не возникало путаницы, далее по тексту будет использоваться термин вычислители. — Примеч. пер.]. Ещё в 1820-х Чарльз Бэббидж создал разностную машину (хотя у его аппарата были идейные предшественники). Её главной задачей была автоматизация построения математических таблиц, например для навигации (вычисление тригонометрических функций полиноминальными аппроксимациями при 0 градусов, 0,01 градуса, 0,02 градуса и т. д.). Также большой спрос на математические вычисления был в астрономии: требовалось обрабатывать сырые результаты телескопных наблюдений в фиксированных областях небесной сферы (а зависимости от времени и даты наблюдений) или определять орбиты новых объектов (например, кометы Галлея).

Со времён Бэббиджа потребность в вычислительных машинах выросла многократно. Электроэнергетическим компаниям нужно было понять поведение магистральных систем энергопередачи с крайне сложными динамическими свойствами. Пушки из бессемеровской стали, способные забрасывать снаряды за горизонт (а значит, благодаря непосредственному наблюдению цели они уже не наводились), требовали всё более точных баллистических таблиц. Новые статистические инструменты, подразумевавшие большой объём математических вычислений (например, метод наименьших квадратов), всё шире использовались как в науке, так и в растущем государственном аппарате. В университетах, правительственных учреждениях и промышленных корпорациях появлялись вычислительные отделы, в которые обычно набирали женщин.

Механические калькуляторы лишь облегчили задачу вычислений, а не решили её. Калькуляторы ускорили арифметические операции, но любые сложные научные или инженерные задачи требовали сотен или тысяч операций, каждую из которых вычислитель (человек) должен был выполнить вручную, тщательно записывая все промежуточные результаты.

Появлению новых подходов к проблеме математических вычислений способствовало несколько факторов. Молодые учёные и инженеры, мучительно обсчитывавшие по ночам свои задачи, хотели дать отдых рукам и глазам. Руководители проектов вынуждены были выкладывать всё больше денег на зарплаты многочисленным вычислителям, особенно после Первой мировой. Наконец, многие передовые научные и инженерные задачи с большим трудом поддавались ручному вычислению. Все эти факторы привели к созданию серий вычислительных машин, работа над которыми велась под руководством Вэнивара Буша (Vannevar Bush) — инженера-электротехника из Массачусетского технологического института (MIT).

Дифференциальный анализатор

До этого момента история часто была обезличена, но теперь мы станем больше говорить о конкретных людях. Слава обошла стороной создателей панельного коммутатора, реле Type E и схемы координатного маркера. О них не сохранилось даже биографических анекдотов. Единственные общедоступные свидетельства их жизни — ископаемые останки созданных ими машин.

Теперь мы можем получить более глубокое представление о людях и их прошлом. Но мы больше не встретим тех, кто упорно работал на чердаках и в мастерских у себя дома — Морзе и Вейла, Белла и Уотсона. К концу Первой мировой эра героических изобретателей почти завершилась. Томаса Эдисона можно считать переходной фигурой: в начале карьеры он был наёмным изобретателем, а к её концу стал владельцем «фабрики изобретений». К тому времени разработка самых заметных новых технологий стала вотчиной организаций — университетов, исследовательских подразделений корпораций, правительственных лабораторий. Люди, о которых мы будем говорить в этом разделе, как раз и принадлежали к подобным организациям.

Например, Вэнивар Буш. Он прибыл в MIT в 1919-м, когда ему было 29 лет. Спустя чуть больше 20 лет он вошёл в число людей, повлиявших на участие США во Второй мировой, и помог увеличить государственное финансирование, что навсегда изменило взаимоотношения между правительством, академической средой и развитием науки и технологий. Но в рамках статьи нас интересует серия машин, которые разрабатывались в лаборатории Буша с середины 1920-х и предназначались для решения проблемы математических вычислений.

MIT, недавно переехавший из центрального Бостона на набережную реки Чарльза в Кембридже, был тесно связан с потребностями промышленности. Сам Буш вдобавок к профессорской деятельности имел финансовые интересы в нескольких предприятиях в сфере электроники. Так что вас не должен удивлять тот факт, что проблема, которая привела Буша и его студентов к работе над новым вычислительным устройством, возникла в энергетической промышленности: понадобилось смоделировать поведение магистральных ЛЭП в условиях пиковых нагрузок. Очевидно, что это было лишь одно из многих возможных применений вычислительных машин: утомительные математические расчёты велись повсеместно.

Буш и его коллеги сначала построили две машины, которые были названы продукционными интеграфами (product integraphs). Но наиболее известной и удачной машиной MIT стала другая — дифференциальный анализатор, завершённый в 1931-м. Он решал проблемы с передачей электроэнергии, вычислял орбиты электронов, траектории космического излучения в магнитном поле Земли и многое другое. Исследователи по всему миру, которым требовались вычислительные мощности, в 1930-х создали десятки копий и вариантов дифференциального анализатора. Некоторые — даже из Meccano (английского аналога американских детских конструкторов марки Erector Set).

Дифференциальный анализатор — это аналоговый компьютер. Математические функции вычислялись с помощью крутящихся металлических стержней, скорость вращения каждого из которых отражала какое-то количественное значение. Мотор приводил в действие независимый стержень — переменную (обычно он представлял собой время), тот, в свою очередь, посредством механических соединений вращал другие стержни (разные дифференциальные переменные), и на основании входной скорости вращения вычислялась функция. Результаты вычислений рисовались на бумаге в виде кривых. Самыми важными компонентами были интеграторы — колёса, вращавшиеся дисками. Интеграторы могли вычислять интеграл кривой без утомительных ручных расчётов.

Дифференциальный анализатор. Интегральный модуль — с поднятой крышкой, со стороны окна расположены столы с результатами вычислений, а посередине — комплекс вычислительных стержней

Ни один из компонентов анализатора не содержал дискретных переключающих реле или каких-то цифровых переключателей. Так зачем мы рассказываем об этом устройстве? Ответ даёт четвёртая машина семейства.

В начале 1930-х Буш начал обхаживать Фонд Рокфеллера, чтобы получить финансирование для дальнейшего развития анализатора. Уоррена Уивера (Warren Weaver), главу отдела естественных наук фонда, сначала убедить не удалось. Инженерия не входила в его компетенцию. Однако Буш разрекламировал безграничный потенциал своей новой машины относительно научных применений — особенно в математической биологии, любимом проекте Уивера. Также Буш обещал многочисленные улучшения анализатора, в том числе «возможность быстро переключать анализатор с одной проблемы на другую, как телефонный коммутатор». В 1936-м его усилия были вознаграждены грантом в 85 тысяч долларов, выделенным на создание нового устройства, которое позднее назвали дифференциальным анализатором Рокфеллера.

В качестве практического вычислителя этот анализатор не был выдающимся прорывом. Буш, который стал вице-президентом MIT и деканом инженерного факультета, не мог уделить много времени руководству разработкой. Фактически вскоре он самоустранился, занявшись обязанностями председателя Института Карнеги в Вашингтоне. Буш ощущал приближение войны, и у него было несколько научных и производственных идей, которые могли послужить нуждам вооружённых сил. То есть он хотел находиться поближе к центру сил, где мог бы эффективнее влиять на решение тех или иных вопросов.

В то же время технические проблемы, диктуемые новой конструкцией, решали сотрудники лаборатории, и вскоре их начали отвлекать для работы над военными задачами. Рокфеллеровская машина была завершена лишь в 1942-м. Военные сочли её полезной для поточного производства баллистических таблиц для артиллерии. Но вскоре это устройство затмили чисто цифровые компьютеры — представлявшие числа не в качестве физических величин, а абстрактно, с помощью позиций переключателей. Так уж получилось, что в самом анализаторе Рокфеллера использовалось довольно много подобных переключателей, состоящих из релейных схем.

Шеннон

В 1936-м Клоду Шеннону было всего 20 лет, но он уже окончил Мичиганский университет со степенью бакалавра по двум специальностям: электротехнике и математике. В MIT его привёл рекламный листок, пришпиленный к доске объявлений. Вэнивар Буш искал нового ассистента для работы над дифференциальным анализатором. Шеннон без колебаний подал заявку и вскоре начал трудиться над свежими проблемами, и только после этого новое устройство стало обретать форму.

Шеннон совсем не походил на Буша. Он не был ни бизнесменом, ни строителем академической империи, ни администратором. Всю жизнь он любил игры, головоломки и развлечения: шахматы, жонглирование, лабиринты, криптограммы. Как и многие мужчины его эпохи, во время войны Шеннон посвятил себя серьёзному делу: занимал в Bell Labs должность по правительственному контракту, что защитило его хрупкое тело от военного призыва. Его исследования по управлению стрельбой и криптографии в тот период привели, в свою очередь, к появлению основополагающей работы по теории информации (мы не будем её касаться). В 1950-х, когда война и её последствия утихли, Шеннон вернулся к преподаванию в MIT, тратя свободное время на развлечения: калькулятор, работающий исключительно с римскими цифрами; машина, при включении которой из неё появлялась механическая рука и отключала машину.

Структура Рокфеллеровской машины, с которой столкнулся Шеннон, логически осталась такой же, как у анализатора 1931-го года, но она была построена из совершенно других физических компонентов. Буш понял, что стержни и механические передачи в старых машинах снижали эффективность от их использования: чтобы выполнить вычисления, требовалось настроить машину, на что уходило много человеко-часов работы квалифицированных механиков.

Новый анализатор лишился этого недостатка. В основе его конструкции был не стол со стержнями, а координатный коммутатор — лишний прототип, пожертвованный Bell Labs. Вместо передачи мощности от центрального вала каждый интегральный модуль независимо приводился в действие электромотором. Для настройки машины на решение новой задачи достаточно было просто сконфигурировать реле в координатной матрице, чтобы соединить интеграторы в нужной последовательности. Считыватель перфоленты (позаимствованный из другого телекоммуникационного устройства, рулонного телетайпа) считывал конфигурацию машины, а релейная схема преобразовывала сигнал с ленты в управляющие сигналы для матрицы — это походило на установление серии телефонных вызовов между интеграторами.

Новая машина не только была гораздо быстрее и проще в настройке, но и работала быстрее и точнее, чем её предшественник. Она могла решать более сложные задачи. Сегодня этот компьютер можно счесть примитивным, даже экстравагантным, но тогда он казался наблюдателям каким-то великим — или, возможно, ужасным — работающим разумом:

По сути, это математический робот. Приводимый электричеством в действие автоматон, созданный не просто для того, чтобы снять с человеческого мозга бремя тяжёлых вычислений и анализа, но и для того, чтобы наброситься на математические задачи, не подвластные умственному решению, и решить их.

Шеннон сконцентрировался на преобразовании данных с бумажной ленты в инструкции для «мозга», и за эту операцию отвечала релейная схема. Он обратил внимание на соответствие между структурой схемы и математическими структурами булевой алгебры, которую он изучал в выпускном классе в Мичигане. Это алгебра, чьими операндами были ИСТИНА и ЛОЖЬ, а операторами — И, ИЛИ, НЕ и т. д. Алгебра, соответствовавшая логическим утверждениям.

Потратив лето 1937-го на работу в Bell Labs на Манхэттене (идеальное место для размышлений над релейными схемами), Шеннон написал магистерскую диссертацию под названием «Символический анализ релейных и коммутационных схем» (A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits). Наряду с работой Алана Тьюринга, созданной за год до этого, диссертация Шеннона сформировала фундамент науки вычислительных машин.

В 1940—1950-х Шеннон построил несколько вычислительных/логических машин: калькулятор с римским исчислением THROBAC, машину для шахматных эндшпилей, а также Theseus — лабиринт, по которому ездила электромеханическая мышь (на фото)

Шеннон обнаружил, что систему уравнений пропозициональной логики можно напрямую механистически преобразовать в физическую схему релейных переключателей. Он заключил: «Фактически любую операцию, которая может быть описана конечным количеством шагов с использованием слов ЕСЛИ, И, ИЛИ и т. д., можно автоматически выполнить с помощью реле». Например, два управляемых реле переключателя, соединённые последовательно, формируют логическое И: ток будет течь по главному проводу только тогда, когда оба электромагнита активированы на закрытие переключателей. В то же время два реле, соединённые параллельно, формируют ИЛИ: ток течёт по главной схеме, активированный одним из электромагнитов. Выходные данные такой логической схемы могут, в свою очередь, управлять электромагнитами других реле, чтобы получить более сложные логические операции вроде (А И Б) или (В И Г).

Шеннон завершил диссертацию приложением с несколькими примерами схем, созданных по его методу. Поскольку операции булевой алгебры очень похожи на арифметические операции в двоичной системе (т. е. с использованием двоичных чисел), он показал, как можно собрать из реле «электрический сумматор в двоичной системе» — мы называем это двоичным сумматором. Несколько месяцев спустя один из учёных Bell Labs сделал такой сумматор на кухонном столе.

Штибиц

Джордж Штибиц (George Stibitz), исследователь из математического отдела штаб-квартиры Bell Labs на Манхэттене, тёмным ноябрьским вечером 1937-го принёс домой странный набор оборудования. Сухие аккумуляторные ячейки, две маленькие лампочки для аппаратных щитов и пару плоских реле Type U, найденных в мусорном баке. Добавив несколько проводов и кое-какой хлам, он собрал устройство, которое могло складывать два одноразрядных двоичных числа (представляемых с помощью наличия или отсутствия входного напряжения) и выводить двухразрядное число с помощью лампочек: единица — включено, ноль — выключено.

Двоичный сумматор Штибица

Штибица, физика по образованию, попросили оценить физические свойства релейных магнитов. Ранее он вообще не имел опыта работы с реле и поэтому начал с изучения их использования в телефонных схемах Bell. Вскоре Джордж заметил сходство между некоторыми схемами и арифметическими операциями с двоичными числами. Заинтригованный, он собрал на кухонном столе свой побочный проектик.

Сначала баловство Штибица с реле вызвало мало интереса у руководства Bell Labs. Но в 1938 году глава исследовательской группы спросил Джорджа, могут ли его калькуляторы использоваться для арифметических операций с комплексными числами (например, a + bi, где i — квадратный корень отрицательного числа). Оказалось, несколько вычислительных отделов в Bell Labs уже стонали из-за того, что им постоянно приходилось умножать и делить такие числа. Умножение одного комплексного числа требовало четырёх арифметических операций на настольном калькуляторе, деление — 16 операций. Штибиц сказал, что может решить проблему, и разработал схему машины для таких вычислений.

Окончательную конструкцию, которую воплотил в металле телефонный инженер Сэмюэль Уильямс (Samuel Williams), назвали Complex Number Computer — или Complex Computer для краткости — и запустили в работу в 1940-м. Для вычислений использовалось 450 реле, промежуточные результаты сохранялись в десяти координатных переключателях. Данные вводились и принимались с помощью рулонного телетайпа. В департаментах Bell Labs установили три таких телетайпа, что говорит о больших потребностях в вычислительных мощностях. Реле, матрица, телетайпы — во всех отношениях это был продукт системы Bell.

Звёздный час Complex Computer пробил 11 сентября 1940-го. Штибиц представил отчёт о компьютере на встрече Американского математического общества в Дартмутском колледже. Он договорился, что там же будет установлен телетайп с телеграфным подключением к Complex Computer на Манхэттене, в 400 километрах. Желающие могли подойти к телетайпу, ввести на клавиатуре условия задачи и увидеть, как меньше чем через минуту телетайп волшебным образом печатает результат. Среди тех, кто испытал новинку, были Джон Моучли (John Mauchly) и Джон фон Нейман (John von Neumann), каждый из которых сыграет важную роль в продолжении нашей истории.

Участники встречи увидели краткий проблеск будущего мира. Позднее компьютеры стали так дороги, что администраторы уже не могли позволить им стоять без дела, пока пользователь чешет подбородок перед консолью управления, размышляя, что набрать дальше. Следующие 20 лет учёные станут думать, как создать компьютеры общего назначения, которые всегда будут ожидать, чтобы вы ввели в них данные, даже работая при этом над чем-то ещё. И потом пройдёт ещё 20 лет, пока этот интерактивный режим вычислений не станет в порядке вещей.

Штибиц за дартмутским интерактивным терминалом в 1960-х. Дартмутский колледж был пионером в сфере интерактивных вычислений. Штибиц стал профессором колледжа в 1964 году

Удивительно, что, несмотря на решаемые им задачи, Complex Computer по современным меркам — вообще не компьютер. Он мог выполнять арифметические операции с комплексными числами и, вероятно, решать и другие сходные задачи, но не задачи общего назначения. Он не был программируемым. Он не мог выполнять операции в произвольном порядке или повторно. Это был калькулятор, способный делать определённые вычисления гораздо лучше предшественников.

С началом Второй мировой в Bell под руководством Штибица была создана серия компьютеров с названиями Model II, Model III и Model IV (Complex Computer, соответственно, получил имя Model I). Большинство из них построили по требованию Национального исследовательского комитета по вопросам обороны, а возглавлял его не кто иной, как Вэнивар Буш. Штибиц улучшил схему машин с точки зрения большей универсальности функций и программируемости.

Например, Ballistic Calculator (позднее — Model III) разрабатывался для нужд систем управления зенитной стрельбой. Его запустили в эксплуатацию в 1944-м в Форте Блисс, Техас. Устройство содержало 1400 реле и могло выполнять программу математических операций, определяемую последовательностью инструкций на закольцованной бумажной ленте. Отдельно подавалась лента с входными данными, отдельно — табличные данные. Это позволяло быстро находить значения, к примеру, тригонометрических функций без настоящих вычислений. Инженеры Bell разработали специальные поисковые схемы (hunting circuits), которые сканировали ленту вперёд/назад и искали адрес нужного табличного значения независимо от вычислений. Штибиц установил, что его компьютер Model III, день и ночь щёлкающий реле, заменял 25—40 вычислительниц.

Стойки с реле Bell Model III

Машина Model V уже не успела побывать на военной службе. Она стала ещё универсальнее и мощнее. Если оценивать в количестве заменяемых ею вычислителей, то она примерно в десять раз превосходила Model III. Несколько вычислительных модулей с 9 тысячами реле могли получать входные данные с нескольких станций, где пользователи вводили условия разных задач. Каждая такая станция имела один ленточный считыватель для ввода данных и пять для инструкций. Это позволяло при вычислении задачи с основной ленты вызывать различные подпрограммы. Главный управляющий модуль (по сути, аналог операционной системы) распределял инструкции по вычислительным модулям в зависимости от их доступности, а программы могли выполнять условные переходы. Это был уже не просто калькулятор.

Год чудес: 1937-й

1937 год можно считать поворотным моментом в истории вычислительных машин. В тот год Шеннон и Штибиц заметили сходство между релейными схемами и математическими функциями. Эти выводы привели Bell Labs к созданию целой серии важных цифровых машин. Это была своего рода экзаптация — или даже замещение, — когда скромное телефонное реле, не меняя физической формы, стало воплощением абстрактной математики и логики.

В том же году в январском номере издания Proceedings of the London Mathematical Society вышла статья британского математика Алана Тьюринга «О вычислимых числах применительно к проблеме разрешения» (On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem). В ней была описана универсальная вычислительная машина: автор утверждал, что она могла бы выполнять действия, логически эквивалентные действиям людей-вычислителей. Тьюринг, который в предыдущем году поступил в аспирантуру Принстонского университета, также был заинтригован релейными схемами. И, как и Буш, обеспокоен нарастающей угрозой войны с Германией. Поэтому он взялся за сторонний криптографический проект — двоичный умножитель, который можно было использовать для шифрования военных сообщений. Тьюринг построил его из реле, набранных в университетском механическом цехе.

В том же 1937-м Говард Эйкен (Howard Aiken) размышлял о предполагаемой автоматической вычислительной машине. Гарвардский аспирант-электротехник Эйкен выполнял немалую долю вычислений с помощью одного лишь механического калькулятора и печатных книг с математическими таблицами. Он предложил конструкцию, которая избавляла бы от этой рутины. В отличие от существовавших вычислительных устройств, она должна была автоматически и циклично обрабатывать процессы, используя результаты предыдущих вычислений в качестве входных данных для следующих.

Тем временем в Nippon Electric Company телекоммуникационный инженер Акира Накашима (Akira Nakashima) ещё с 1935 года исследовал связи между релейными схемами и математикой. Наконец, в 1938-м он самостоятельно доказал эквивалентность релейных схем булевой алгебре, которую Шеннон обнаружил годом ранее.

В Берлине Конрад Цузе (Konrad Zuse), бывший авиаинженер, уставший от бесконечных вычислений, которые требовались на работе, искал средства на создание второй вычислительной машины. Ему не удалось заставить надёжно работать своё первое механическое устройство — V1, поэтому он хотел сделать релейный компьютер, который и разработал в соавторстве со своим другом, телекоммуникационным инженером Гельмутом Шрейером (Helmut Schreyer).

Универсальность телефонных реле, выводы о математической логике, желание ярких умов избавиться от отупляющей работы — всё это переплелось и привело к возникновению представления о логической машине нового типа.

Забытое поколение

Плодам открытий и разработок 1937-го пришлось созревать несколько лет. Война оказалась самым мощным удобрением, и с её приходом релейные компьютеры начали появляться везде, где существовала необходимая техническая экспертиза. Математическая логика стала решёткой для лоз электротехники. Возникли новые формы программируемых вычислительных машин — первый набросок современных компьютеров.

Вдобавок к машинам Штибица к 1944-му США могли похвастаться устройством Harvard Mark I / IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC), результатом предложения Эйкена. Двойное название возникло из-за ухудшения отношений между академической средой и промышленностью: все предъявляли права на устройство. Mark I / ASCC использовало управляющие релейные схемы, но основной арифметический модуль был построен по архитектуре механических калькуляторов IBM. Машина была создана для нужд бюро кораблестроения США. Её наследница Mark II начала работать в 1948-м на испытательном полигоне ВМФ, и все её операции строились исключительно на реле — на 13 тысячах реле.

Цузе в ходе войны построил несколько релейных компьютеров, всё более сложных. Кульминацией стал V4, который, как и Bell Model V, включал в себя установки для вызова подпрограмм и выполнял условные переходы. Из-за нехватки материалов в Японии ни одна из разработок Накашимы и его соотечественников не была воплощена в металле, пока страна не восстановилась после войны. В 1950-х заново сформированное министерство внешней торговли и промышленности профинансировало создание двух релейных машин, вторая из которых была монстром с 20 тысячами реле. Компания Fujitsu, участвовавшая в создании, разработала свои собственные коммерческие продукты.

Сегодня эти машины почти полностью забыты. В памяти осталось лишь одно название — ЭНИАК (ENIAC). Причина забвения не относится к их сложности, или возможностям, или скорости. Вычислительные и логические свойства реле, открытые учёными и исследователями, относятся к любому виду устройств, которые могут действовать как переключатель. И так произошло, что было доступно другое подобное устройство — электронный переключатель, который мог срабатывать в сотни раз быстрее реле.

Важность Второй мировой в истории жизни вычислительных машин уже должна быть очевидна. Самая ужасная война стала толчком к развитию электронных машин. Её начало высвободило ресурсы, необходимые для преодоления очевидных недостатков электронных переключателей. Господство электромеханических компьютеров оказалось недолгим. Подобно титанам, они были свергнуты своими детьми. Как и реле, электронная коммутация возникла благодаря потребностям телекоммуникационной индустрии. А чтобы выяснить, откуда она произошла, мы должны отмотать нашу историю до момента на заре эпохи радио.

Источник