IAS-машина

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

IAS-машина(англ. IAS machine, досл: Машина Інституту перспективних досліджень) — одна з перших електронних обчислювальних машин, побудована в Інституті перспективних досліджень (IAS, Institute of Advanced Studies) в Принстоні, шт. Нью-Джерсі, США. Комп'ютер також іноді називають «машиною Фон Неймана», оскільки вона створювалася під керівництвом Джона фон Неймана[1], коли він працював одночасно в Інституті перспективних досліджень і професором математики в Принстонському університеті. Комп'ютер будувався в період з 1945 по 1951 рік.

Загальна конструкція комп'ютера стала носити назву «Архітектура фон Неймана» (чи «принстонська архітектура» в протилежність «гарвардській архітектурі») і слугувала зразком для створення інших аналогічних комп'ютерів в США і у всьому світі.

Історія створення[ред.ред. код]

Джуліан Бігелоу, Герман Голдстайн, Роберт Оппенгеймер і Джон фон Нейман на тлі комп'ютера IAS[2]

Ідея створення машини обмірковувалася фон Нейманом ще в листопаді 1945 року, коли в інституті Мура[ru] щойно закінчилися роботи над першим електронним комп'ютером ENIAC і почалися роботи над наступним комп'ютером — EDVAC. У зв'язку із закінченням Другої світової війни зобов'язання учасників проекту перед військовим відомством вичерпувалися і після демобілізації кожен з них був вільний продовжувати свою кар'єру на власний розсуд. Із-за суперечок з Інститутом Мура з авторських прав на винаходи, у березні 1946 року проект покинули Экерт і Моклі, які вирішили створити Eckert–Mauchly Computer Corporation[en]. Фон Нейман вирішив повернутися в Інститут перспективних досліджень (IAS), де хотів продовжити роботи над новим науковим напрямом — електронними обчислювальними машинами і їх застосуванням в науці. Іншими місцями, які фон Нейман розглядав влітку 1945 року, були Массачусетський технологічний інститут і Чиказький університет[3].

Вибір IAS як місця для створення комп'ютера був дуже незвичайним, оскільки Інститут перспективних досліджень займався виключно теоретичною наукою і не мав ніяких лабораторій і устаткування для проведення яких-небудь експериментів, не було навіть приміщення для роботи інженерів[4]. Проте проект електронного комп'ютера («Electronic Computer Project» так офіційно називався проект в Інституті) був підтриманий ведучими ученими Інституту, зокрема, Освальдом Вебленом[ru] і керівником Інституту — Френком Айделоттом (Frank Aydelotte)[5], а також отримав фінансову підтримку з боку компанії RCA, яка брала на себе усі питання забезпечення проекту вакуумними лампами, і армійського (Army Ordnance Department) і морського (Office of Naval Research) відомств США: фон Нейман переконав військово-морське відомство, що IAS-машину можна буде використати для чисельного прогнозу погоди. Фон Нейман запропонував створити IAS-машину як дослідний зразок, на якому відпрацьовуватимуться різні способи обчислень і технології. За образом і подобою IAS-машини різні установи, що випробовують нужду в комп'ютерах, будуватимуть свої машини, економлячи таким чином свої засоби на дослідження[6].

У березні 1946 року головним інженером проекту був призначений Джуліан Бігелоу (Julian Bigelow). Фон Нейман став директором проекту. З Інституту Мура[ru], покинувши проект EDVAC, перейшли Герман Голдстайн [ru] (заступник директора проекту), Артур Беркс (Arthur Burks), Роберт Шоу (Robert Shaw) і Джон Девіс (John Davis). Фон Нейман пропонував посаду головного інженера Экерту, але потім відкликав свою пропозицію, коли стало ясно, що Экерт планує зайнятися бізнесом. У проекті також брали участь Джеймс Померен (James Pomerene), Ральф Шлуц (Ralph J. Slutz), Віліс Вэйр (Willis H. Ware). На протязі всього проекту загальне число людей в команді не перевищувало шести[7]. Планувалося проект виконати за 3 роки. Для прискорення роботи було прийнято рішення вести усі роботи над комп'ютером паралельно, тому команда розбилася на чотири групи, які досліджували різні напрями проекту:

  1. логічне облаштування комп'ютера (Беркс, Голдстайн, фон Нейман)
  2. технічний пристрій (Бігелоу, з 1951 р. — Померен)
  3. математичні питання (Голдстайн і фон Нейман)
  4. група чисельного прогнозу погоди (Meteorology Project) (Жуль Чарні[en] (англ.)).

Розробка теорії[ред.ред. код]

У липні 1946 року Берксом, Голдстайном і фон Нейманом була написана знаменита монографія під назвою «Попередній розгляд логічного облаштування електронного обчислювального приладу» (англ.: Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument)[8], яка детально описала пристрій і технічні характеристики майбутнього комп'ютера, які пізніше стали носити назву «Архітектура фон Неймана»[9]. Ця робота розвивала ідеї, викладені фон Нейманом в травні 1945 року в рукописі під назвою «Перший проект звіту про EDVAC»[ru]. У тому рукописі, який не призначався для широкої публікації, фон Нейман описував лише логічну структуру «ідеального» комп'ютера, в роботі ж «Попередній розгляд» були описані усі технічні подробиці. У другій частині монографії під назвою «Планування і кодування завдань для електронного обчислювального приладу» (англ. Planning and Coding Problems for Electronic Computing Instrument), представленою в трьох частинах (частина I — квітень 1947 року, частина II — 15 квітня 1948 року, частина III — 16 серпня 1948 року, частина IV так і не побачила світ), були детально описані способи програмування майбутнього комп'ютера. Ця фундаментальна монографія офіційно була передана її авторами в громадське надбання, і її копія зберігається з афідевітом[en] Беркса, Голдстайна і фон Неймана в Патентному відомстві США[ru] і у Бібліотеці Конгресу США[10]. Голдстайн і фон Нейман, будучи ученими, розглядали свою роботу над комп'ютером як наукове дослідження і нехтували комерційними вигодами від відкриттів і винаходів, зроблених в процесі його створення.

Створення комп'ютера[ред.ред. код]

Головною інженерною проблемою при створенні комп'ютера опинилася проблема з оперативною пам'яттю. Було вирішено не використати ртутні лінії затримки, як це було зроблено в конкуруючому проекті EDVAC. Для необхідної високої швидкості роботи IAS-машини (2000-4000 множень в секунду) пам'ять мала бути з довільним доступом. Ртутні ж лінії затримки робили пам'ять послідовною[ru] і повільною. Спочатку передбачалося скористатися пропозицією компанії RCA, яка обіцяла забезпечити проект статичною ламповою пам'яттю під назвою Selectron. Але у RCA виникли проблеми з відробітком цієї технології, і до обіцяного терміну Selectron так і не поступили. Влітку 1948 інженери IAS-машини вирішили використати для оперативної пам'яті трубки Вільямса і успішно це зробили до січня 1950 року[11]. Офіційний урочистий запуск IAS-машини був зроблений 10 червня 1952 року, але машина була доступна для проведення обчислень з весни 1951 року. Перше своє велике завдання машина вирішила влітку 1951 року для Лос-Аламойської національної лабораторії[12]. Увесь 1952 рік комп'ютер працював в дві-три зміни до середини 1953 року. У грудні 1953 року його розібрали і перевезли в інше просторіше і добре охолоджуване приміщення. У 1954 році до комп'ютера додали графічний дисплей з 7-дюймовою ЭЛТ 512х512 точки, в 1955 — новий об'ємніший магнітний барабан ERA Model 1107.

Чисельний прогноз погоди[ред.ред. код]

Група учених, що займалася напрямом прогнозу погоди, була готова до розрахунків вже наприкінціі літа 1949 року. Проте на той час IAS-машина ще не була готова. Щоб не витрачати час даремно в очікуванні закінчення робіт над IAS-машиною, і враховуючи важливість напряму прогнозу погоди для стратегічних потреб країни, фон Нейман запропонував на перших порах скористатися ЕНІАКом. Підготовка програми до розрахунку зайняла цілих 5 тижнів, а сам розрахунок прогнозу погоди на наступні 24 години на ЕНІАці зайняв 24 години. Виконання програми за тією ж моделлю і з тими ж даними на IAS-машині 30 червня 1953 року зайняло 6 хвилин, тобто в 240 разів швидше[13].

Створення похідних комп'ютерів[ред.ред. код]

На початку 1950-х років зі вступом СРСР в ядерну гонку[ru] різко зросла потреба уряду США в обчислювальних машинах. Не чекаючи завершення IAS-машини, були побудовані за її зразком машини MANIAC[ru] в Лос-Аламойській національній лабораторії і AVIDAC[ru] — в Аргонській національної лабораторії. Завдяки накопиченому досвіду при створенні IAS-машини, творцям MANIAC[ru] і AVIDAC[ru] вдалося уникнути безлічі помилок і безвихідних рішень і запустити свої комп'ютери на декілька місяців раніше свого пращура. Сама ж IAS-машина теж стала розглядатися як інструмент для проведення термінових обчислень з оборонної тематики, попри те, що вона будувалася як експериментальний прототип.

Опис[ред.ред. код]

  • Елементна основа: вакуумні лампи, 2300 шт. 5 типів і 5 діодів.
  • Синхронізація: машина була асинхронною: в ній був відсутній тактовий генератор, що синхронізував роботу усіх вузлів, наступна команда виконувалася після того, як була виконана попередня.
  • Розрядність: двійкова.
  • Розмір слова : 40 біт.
  • Формат команди: одноадресний.
  • Розмір команди : 20 біт, 2 команди на 40-бітове слово для прискорення вибірки команд, передвісник «look-ahead»[14].
  • Кількість команд : 67, використовувалося тільки 44.
  • Представлення чисел: Негативні числа представлялися у доповняльному коді. Дійсні числа представлялися числами з фіксованою комою, щоб спростити конструкцію машини і її програмування[15].
  • Пристрій, що запам'ятовує: трубки Вільямса. Всього використовувалося 40 трубок Вільямса.
  • Розмір пам'яті : 1024 слова (5,1 кБ). Пам'ять була з довільним доступом і паралельною, тобто кожен біт числа зберігався в окремій трубці Вільямса і складання бітів могло робитися одночасно[16]. Час доступу до пам'яті: 25 мікросекунд.
  • Постійна пам'ять: магнітний барабан — 2.048 слів, час доступу — 140.000 мікросекунд (власна розробка в травні-червні 1953 р.) і пізніше 12.288 слів, час доступу — 17.000 мікросекунд (у 1955 — магнітний барабан від компанії Engineering Research Associates[en])[17].
  • Облаштування введення-виведення: модифікований телетайп[18], пізніше — зчитувач перфокарт IBM.
  • Швидкості: складання — 62 мікросекунди, множення — 620–713 мікросекунди, ділення — 920 мікросекунд.
  • Енергоспоживання: 28 кВт.
  • Вага: 1000 фунтів 15 тонн охолоджувальна система.
  • Обслуговування: 1 інженер +1 оператор при 8-годинній зміні, 1 інженер + 2 оператори при двох 8-годинних змінах.
  • Надійність: середній час роботи повністю — 4-8 годин. 70% надійності з початку 1952 року до початку 1955 року. 80 з початку 1955 року[19].

Машина мала «новинку» у вигляді регістрів загального призначення: регістр AC — акумулятор, і регістр MQ — множник/дільник.

Подальша доля[ред.ред. код]

Комп'ютер пережив свого творця всього на рік. Після смерті фон Неймана в 1957 році, IAS-машина пропрацювала в Інституті до 15 липня 1958, після чого було вирішено, що комп'ютер виконав своє завдання, і проект «Electronic Computer Project» був закритий[20]. Впродовж декількох днів він був розібраний і перевезений в Національний музей Американської історії Смітсонівського інституту в м. Вашингтон, де зберігається досі як непрацюючий експонат[21]. Інститут перспективних досліджень більше комп'ютерами ніколи не займався, а приміщення, відведене під IAS-машину, було перероблене в дитячий садок.

Похідні IAS-машини[ред.ред. код]

Дерево родинних зв'язків ранніх комп'ютерів 50-х і 60-х років XX століття. Права гілка має в основі IAS-машину

IAS-машина будувалася в першу чергу як експериментальна, на якій відпрацьовувалися різні технології і ідеї, проводилися дослідження і випробування. Передбачалося, що IAS-машина послугує готовим зразком, за яким (з різними варіаціями) швидко створюватимуться інші машини для різних зацікавлених організацій. Усі комп'ютери, створені за подібністю IAS-машини, відносилися до «сімейства IAS-машин», оскільки будувалися за «архітектурою фон Неймана», хоча і не були сумісні один з одним на рівні програмного забезпечення[22]

Ось короткий список таких машин :

Примітки[ред.ред. код]

  1. The IAS Computer, 1952, http://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_334741
  2. Світлина з сайту Computer History Museum, де IAS-машину краще видно,http://www.computerhistory.org/revolution/supercomputers/10/28/47
  3. Aspray, 1990, с. 51
  4. Goldstine, 1980, p. 220
  5. Goldstine, 1980, p. 243
  6. Aspray, 1990, с. 56
  7. Aspray, 1990, с. 57
  8. Burks A. W., Goldstine H. H., Neumann J. Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument. — Institute for Advanced Study, Princeton, N. J., July 1946.
  9. Goldstine, 1980, p. 255
  10. Goldstine, 1980, p. 256
  11. Aspray, 1990, с. 79-84
  12. Aspray, 1990, с. 85
  13. см. «Final report on contract no. DA-36-034-ORD-1023», стр. II-134
  14. Goldstine, 1980, p. 265
  15. Aspray, 1990, с. 66
  16. Goldstine, 1980, p. 263
  17. Goldstine, 1980, p. 315
  18. Goldstine, 1980, p. 315
  19. Aspray, 1990, с. 87
  20. Dyson, George (March 2003),http://www.ted.com/talks/george_dyson_at_the_birth_of_the_computer, «TED (Technology Entertainment Design)», TED Conferences, LLC
  21. IAS Computer | National Museum of American History,http://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_334741
  22. а б Electronic Computer Project. Інститут перспективних досліджень. Процитовано May 26, 2011. 

Література[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]