Представьте машину, которую нужно перепрограммировать вручную в течение нескольких дней, заново переподключая сотни кабелей каждый раз, когда вы хотите дать ей новую задачу. Так работал ENIAC - самый мощный компьютер 1945 года. Но 11 декабря 1946 года британские учёные Фредерик Уильямс и Том Килбёрн подали заявку на патентование технологии, которая позволила создать первый в мире электронный программируемый компьютер - Manchester Mark 1.
🔍 История создания трубки Уильямса:
Ещё в июле 1946 года математик Макс Ньюман основал компьютерную лабораторию в Манчестерском университете. В то время главной преградой для создания электронного программируемого компьютера была необходимость в запоминающем устройстве, способном хранить как программные инструкции, так и данные. Все существующие решения от механических переключателей до ртутных линий задержки работали слишком медленно.
Именно тогда в дело вступил Фредерик К. Уильямс (1911-1977), британский инженер, ранее разработавший радиолокационную систему идентификации самолётов. В июне 1946 года в Британском исследовательском центре электросвязи Уильямс начал исследовать возможность хранения информации на экране электронно-лучевой трубки .
В ноябре 1946 года Уильямс работал в британском Центре телекоммуникационных исследований (TRE) в Малверне. Он успешно продемонстрировал хранение одного бинарного разряда на экране электронно-лучевой трубки, используя электростатический эффект. Технология была основана на простой идее: точка, нарисованная электронным лучом на люминесцентном экране, оставляла положительный заряд, окружённый отрицательно заряженной областью, которую можно было впоследствии прочитать.
Однако TRE была радарной лабораторией, а не компьютерной. Уильямс понимал потенциал своего открытия для вычислений, но развить его самостоятельно не мог. Ему нужна была не просто команда инженеров, а команда, которая понимала архитектуру электронного компьютера.
⚙️ Доработка:
Именно в этот момент Уильямс получил приглашение на должность профессора в Манчестерский университет, где Макс Ньюман уже организовал компьютерную лабораторию. 11 декабря Уильямс подал заявку на патент для своего открытия не потому, что оно было готово к производству, а потому что теперь у него была ясная цель: использовать трубки как память для универсального электронного компьютера.
С ним в Манчестер перешёл Том Килбёрн, молодой математик и инженер, который работал в его группе в TRE. Вместе они приступили к практическому совершенствованию трубок.
К ноябрю 1947 года им удалось достичь хранения 2048 бит информации на одной трубке, и что ещё более важно - они смогли обеспечить храние этой информации стабильно в течение часов, а не секунд. Килбёрн и его команда решили несколько критических инженерных проблем, без которых трубка Уильямса оставалась бы любопытным лабораторным экспериментов.
Во-первых, они нашли метод адресации. Первоначально Уильямс мог хранить один бит. Килбёрн разработал систему, которая позволяла электронному лучу практически мгновенно находить любой участок экрана по координатам X и Y. Это было прямое обращение к памяти - компьютер мог получить доступ к любому участку памяти одновременно, не нужно было последовательно перебирать все данные в поисках нужных.
Во-вторых, они решили проблему стирания данных. Поскольку электрический заряд на экране постепенно рассеивался, нужна была система избирательного стирания и перезаписи. Килбёрн разработал несколько методов, которые позволяли перезаписывать и стирать участки памяти так быстро, что компьютер мог в любой момент обратиться к памяти, и она всегда содержала актуальные данные.
В-третьих, они создали систему регенерации памяти. Каждый бит нужно было постоянно перечитывать и переписывать, чтобы заряд не исчез. Они встроили в архитектуру компьютера схему, которая автоматически выполняла эту работу - технология регенерации, которую затем скопировали производители DRAM памяти в 1970-х годах.
В-четвёртых, они подобрали оптимальные электрические параметры. Каждая трубка требовала точной настройки напряжения электронного луча, яркости экрана и чувствительности считывающей пластины. Килбёрн и его команда провели эксперименты, чтобы понять, как влияет мощность луча на размер точки, на время её "жизни" и на надёжность хранения. Они выяснили, что более мощный луч делает данные более стабильными, но точки при этом приходится располагать дальше друг от друга.
Благодаря этим инженерным решениям трубка Уильямса превратилась из любопытного демонстратора концепции в практически применимое запоминающее устройство, которое могло работать в составе реального компьютера и хранить программу, выполнять её на электронной скорости и давать правильные ответы.
🌍 Контекст электронных вычислений:
К 1946 году в мире существовали лишь два крупных электронных компьютера. Американские учёные Дж. Преспер Эккерт и Джон Мокли завершили работу над ENIAC в 1945 году, и машина была представлена общественности 14 февраля 1946 года. Этот монстр весом в 30 тонн с 18 000 ламп работал в тысячу раз быстрее механических калькуляторов.
Однако у ENIAC была критическая проблема: программирование требовало физического переподключения кабелей и изменения положения переключателей для каждой новой задачи. Этот процесс занимал несколько дней. Программы не хранились внутри машины, они были её физической структурой.
Harvard Mark I, завершённый в 1944 году, был ещё более архаичным - это был электромеханический компьютер, использующий реле, а не электронные лампы. Он был несравненно медленнее.
Трубки Уильямса совершили революцию в архитектуре компьютеров. Теперь можно было хранить программу внутри ЭВМ.
🎯 Manchester Baby (1948):
Едва Килбёрн и Уильямс добились успеха в хранении данных, команда начала строительство Small Scale Experimental Machine - прототипа, получившего прозвище "Manchester Baby" или SSEM. Машина была спроектирована как простейший возможный электронный программируемый компьютер, цель которого была лишь одна: доказать, что новое решение надежно и практично.
21 июня 1948 года - историческая дата - Manchester Baby запустила свою первую программу. Это была 17-инструкционная программа, написанная Томом Килбёрном, которая вычисляла наибольший делитель чисел размером до 2^18. Программа выполнялась 52 минуты, машина произвела 3,5 миллиона операций и дала абсолютно правильный ответ.
Это был первый в мире компьютер, который хранил как программные инструкции, так и данные в электронной памяти и выполнял их на электронной скорости.
🌟 Manchester Mark 1 (1949):
Успех Baby был настолько убедительным, что правительство Британии немедленно распорядилось создать компьютер, который можно было бы использовать в практических задачах, на базе этой технологии.
Работа над полнофункциональной версией началась в августе 1948 года под руководством Уильямса и Килбёрна в составе команды из четырёх человек, позднее расширившейся. В октябре 1949 года работы были завершены.
Manchester Mark 1 был чудом инженерии своего времени:
- 4050 электронных вакуумных ламп.
- Расширенная памятью: 8 Williams Tube по 64 слова каждая, 512 слов основной памяти.
- Магнитный барабан для дополнительного хранения - предшественник жёсткого диска.
- 30 команд для выполнения различных операций.
- Индексные регистры (B-lines) - инновация, позволявшая программам удобно работать с массивами данных
🎯 16-17 июня 1949 года:
Первая реальная (т.е. не демонстрационная) программа на Manchester Mark 1 была запущена в начале апреля 1949 года - это была программа поиска чисел Мерсенна. Алгоритм разработал Макс Ньюман, главный математик лаборатории, а программу написали Килбёрн и Геофф Тутилл.
Всю ночь с 16 на 17 июня 1949 года программа работала без единой ошибки в течение 9 часов. Это было чудо, так как электронные компьютеры того времени обычно выходили из строя через считанные минуты работы из-за отказа ламп.
Позднее Алан Тьюринг, назначенный заместителем директора Computer Machine Laboratory в сентябре 1948 года, написал оптимизированную версию программы, которую назвали «Mersenne Express».
📰 Патенты и мировое влияние:
Между 1946 и 1949 годами команда Уильямса и Килбёрна зарегистрировала 34 патента на основе своей работы. Наиболее значительный был патент на индексные регистры, выданный на имена Уильямса, Килбёрна, Тутилла и Ньюмена.
Влияние трубок Уильямс на мировую науку было огромным. Технология использовалась в американских машинах Princeton IAS, IBM 701, IBM 702, UNIVAC 1103, в советском Стрела-1 и японском TAC (Tokyo Automatic Computer). В июле 1949 года IBM пригласила Уильямса в США, чтобы обсудить дизайн Mark 1, и позднее купила несколько патентов, включая саму трубку .
Трубки Уильямса оказались ключевой технологией, которая сделала компьютеры вроде Mark 1 не только возможными, но и практически применимыми. Это была технология, которая использовалась много лет, пока не была вытеснена памятью на магнитных сердечниках .
Читайте так же:
- Небольшая заметка про Алана Тьюринга и его тест - в нашей группе в Одноклассниках.
Источники:
- Manchester Baby. Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/Manchester_Baby - How a 70-year-old 'Baby' changed the face of modern computing: https://www.manchester.ac.uk/about/news/how-a-70-year-old-baby-changed-the-face-of-modern-computing/
- Williams tube. Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/Williams_tube - Williams-Kilburn Tubes. Computer History Museum: https://www.computerhistory.org/revolution/memory-storage/8/308
- Williams demonstrates CRT storage: https://www.computerhistory.org/storageengine/williams-demonstrates-crt-storage/
- Manchester Mark 1. Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/Manchester_Mark_1 - The Manchester Mark I and Atlas: A Historical Perspective: https://pages.cs.wisc.edu/~remzi/Classes/736/Spring2014/Papers/atlas.pdf
- ENIAC. Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC - December 1945: The ENIAC Computer Runs Its First Program: https://www.aps.org/apsnews/2022/11/eniac-first-top-secret-program
- Ferranti Mark 1.Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/Ferranti_Mark_1 - Strela computer. Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/Strela_computer - IAS machine. Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/IAS_machine
#Тюринг #трубкаУильямса #Уильямс #вычеслительнаятехника #компьютеры #марк1