Джон Винсент Атанасов

Джон Винсент Атанасов

В 1937 году другой изобретатель, находившийся далеко и от Цузе, и от Стибица — в Айове, также экспериментировал с цифровыми схемами. Имя изобретателя — Атанасов, он напряженно работал в своем подвале, где и произошел очередной исторический прорыв: он создал вычислительное устройство, в котором использовались электронные лампы, по крайней мере в части схем. В каком-то смысле его машина была менее продвинутой, чем другие, — она не была ни программируемой, ни универсальной. Она не была и полностью электронной, поскольку в ней использовались некоторые медленно движущиеся механические элементы. И хотя он построил модель, которая теоретически могла производить расчеты, он так и не смог заставить ее надежно работать. Тем не менее Джон Винсент Атанасов, которого жена и друзья называли Винсентом, заслуживает чести называться первопроходцем, поскольку он придумал первый частично электронный цифровой компьютер. Однажды декабрьским вечером в 1937 году, когда он долго мчался непонятно куда на машине с бешеной скоростью, он вдруг понял, как создать такой компьютер²⁷.

Атанасов родился в 1903 году. Его отец был эмигрантом из Болгарии, а мать принадлежала к одной из старейших семей Новой Англии. Винсент был старшим из семи детей. Отец работал инженером на электростанции, находящейся в ведении Томаса Эдисона в Нью-Джерси, а затем переехал с семьей во Флориду — в городок, расположенный к югу от Тампы. В девять лет Винсент помог отцу провести в их флоридский дом электричество, и отец подарил ему логарифмическую линейку производства компании Дицгена. Он позже вспоминал: “Эта логарифмическая линейка была моей любимой игрушкой”²⁸. В раннем возрасте он погрузился в изучение логарифмов с энтузиазмом, который кажется немного дурацким, хотя он рассказывал об этом с серьезным видом: “Можете ли вы себе представить, как мальчик в девять лет, у которого на уме бейсбол, может измениться от [знакомства с логарифмами]? Бейсбол был почти забыт, когда я приступил к серьезному исследованию логарифмов”. За лето он посчитал, чему равен логарифм 5 по основанию е, потом, еще в средней школе, с помощью своей матери (когда-то она была учительницей математики) освоил дифференциальное исчисление. Отец взял его на фосфатный завод, где работал инженером-электриком, и показал, как работают генераторы. Винсент закончил старшие классы средней школы за два года, выдерживая двойную нагрузку, и получил по всем предметам высшие оценки.

В Университете Флориды он изучал электротехнику и проявил склонность к практическим занятиям, проводя много времени в механических и литейных мастерских университета, но не только. Он по-прежнему был влюблен в математику, и уже на первом курсе ему пришлось столкнуться с доказательством, использующим двоичную систему счисления. Он закончил институт с самым высоким средним баллом среди выпускников того года. Он получил стипендию для обучения в магистратуре по математике и физике от штата Айова, и хотя позже был принят в Гарвард, не изменил своего решения и остался в городе Эймсе, в “кукурузном поясе”.

Атанасов продолжил обучение и получил докторскую степень по физике в Университете штата Висконсин, где проделал такой же путь, как и другие первопроходцы компьютерных технологий, начиная с Бэббиджа. Его работа про гелий, поляризующийся в электрическом поле, предполагала утомительные расчеты. Когда он продирался через математические дебри, имея под рукой лишь настольный арифмометр, он стал мечтать о калькуляторе, который мог бы делать больше операций. После возвращения в университет Айовы в 1930 году на должность доцента он решил, что его степеней по электротехнике, математике и физике достаточно для создания такого калькулятора.

Это явилось следствием его решения не оставаться в Висконсине и не поступать в Гарвард или другие крупные университеты, где велись исследования. В Айове, где никто, кроме него, не работал над созданием новых вычислительных машин, Атанасов был предоставлен сам себе. Здесь он мог обдумывать новые идеи, но рядом не было людей, с которыми он мог бы обсудить их, или коллег, которые могли бы помочь ему преодолеть теоретические или технические проблемы. В отличие от большинства инноваторов цифровой эры, он был одиноким изобретателем, черпающим свое вдохновение во время одиноких поездок на автомобиле и в дискуссиях с единственным помощником-аспирантом. Как оказалось, это была неправильная стратегия.

Атанасов собирался построить аналоговое устройство; его любовь к логарифмическим линейкам привела его к попыткам сконструировать огромные устройства, подобные ей и использующие длинные полоски пленки. Но он понял: чтобы решать линейные алгебраические уравнения с достаточной точностью, длина пленки должна составлять сотни метров. Он также построил хитроумное устройство, которое могло находить решение дифференциального уравнения в частных производных путем придания соответствующей формы блоку из парафина. Ограничения, присущие этим аналоговым устройствам, привели его к решению сосредоточиться на создании цифровой версии.

Первая задача, которую он решал, состояла в том, как сохранить числа в машине. Для описания этой функции машины он использовал термин “память”: “В то время я имел только поверхностные представления о работе Бэббиджа и поэтому не знал, что он назвал то же самое понятие «запоминающим устройством»… Мне нравится его название, и если бы я знал о нем, я, возможно, использовал бы его. Мне нравится и термин «память» за его аналогию с функцией мозга”²⁹.

Атанасов перебрал разные виды возможных устройств памяти: механические штырьки, электромагнитные реле, небольшой кусочек магнитного материала, который мог быть намагничен электрическим зарядом, электронные лампы и электрическим конденсатор. Самыми быстрыми были электронные лампы, но они были дороги. Тогда он решил вместо них использовать конденсаторы — небольшие и недорого стоящие компоненты, которые могут сохранять, по крайней мере на короткое время, электрический заряд. Это решение было понятно, но оно означало, что машина будет медлительной и громоздкой. Даже если сложение и вычитание могло происходить с электронными скоростями, процесс переноса числа в блок памяти и из него замедлял скорость счета, поскольку она определялась скоростью вращающегося барабана.

Вверху слева: Джордж Стибиц (1904–1995), ок. 1945 г.

Вверху справа: Конрад Цузе (1910–1995) со своим компьютером Z4, 1944 г.

Слева: Джон Атанасов (1903–1995) в Университете штата Айова, 1940 г.

Реконструкция компьютера Атанасова

Определившись с блоком памяти, Атанасов сосредоточился на том, как построить арифметический и логический блок, который он назвал “вычислительным механизмом”. Он решил, что он должен быть полностью электронным, что означало применение электронных ламп, хотя они и были дорогими. Лампы должны были выполнять функцию двухпозиционных переключателей с функциями “включить/выключить”, то есть служить логическими вентилями в схемах, которые могут складывать, вычитать, а также выполнять любые команды булевой алгебры.

В связи с этим возник теоретический вопрос из тех, что он любил с детства в математике: должна ли его цифровая машина использовать десятичную, двоичную или какую-либо другую систему счисления? Истинный любитель повозиться с разными системами счисления, Атанасов изучил много вариантов. “На короткое время система счисления с основанием сто показалась мне многообещающей, — писал он в неопубликованной работе. — Этот же расчет показал, что основание, которое теоретически дает высокую скорость расчета, это число е”³⁰. Но поиски компромисса между теорией и практикой привели его в конце концов к выбору двойки в качестве основания, то есть к двоичной системе счисления. В конце 1937 года эти и другие идеи крутились в его голове, это была “сборная солянка” из мыслей, которые никак друг с другом не “склеивались”.

Атанасов любил автомобили; он старался по возможности покупать каждый год по новому и в декабре 1937 года купил новый “форд” с мощным двигателем V8. Чтобы проветриться, он отправился на прогулку, и эта поездка стала важной вехой в истории вычислительной техники. Вот его воспоминания об этом вечере:

“Однажды зимним вечером 1937 года я почувствовал, что совершенно измучен невозможностью найти решение проблем, связанных с конструкцией машины. Я сел в автомобиль, разогнался и ехал так долгое время, пока не стал контролировать свои эмоции. Это было моей привычкой — у меня получалось восстанавливать контроль над собой после того, как проедусь по дороге, сосредоточившись на управлении автомобилем. Но в ту ночь я был слишком измучен и продолжал мчаться, пока не пересек реку Миссисипи и не оказался в штате Иллинойс в 300 километрах от того места, где я сел в машину”³¹.

Он съехал со скоростного шоссе и завернул в придорожную забегаловку. В штате Иллинойс, в отличие от Айовы, можно было по крайней мере купить спиртного, и он заказал себе порцию бурбона с содовой, потом еще одну. “Я почувствовал, что уже не так нервничаю, и мои мысли снова обратились к вычислительным машинам, — вспоминал он. — Я не знаю, почему моя голова тогда заработала и почему она не работала раньше, но там было симпатично, прохладно и тихо”. Официантка не обращала на него внимания, и Атанасов смог спокойно обдумать свою проблему³².

Он набросал свои идеи на бумажной салфетке, а затем начал перебирать какие-то практические вопросы. Главное — было непонятно, как пополнить заряд в конденсаторах, которые разряжались через пару минут. Он придумал поместить их на вращающиеся цилиндрические барабаны, сделанные из банок сока V8 (емкостью примерно 1,5 литра), чтобы они каждую секунду вступали в контакт с щетками, сделанными из кабелей, и их заряды восстанавливались. “В тот вечер я представил в голове возможную конструкцию регенеративной памяти, — вспоминал он. — В тот момент я называл ее «дискретной»”. С каждым поворотом вращающегося цилиндра щетки должны “встряхивать” память, состоящую из конденсаторов, а также при необходимости снимать старые данные с конденсаторов и вводить новые. Он также придумал схему, которая позволяла считывать числа с двух разных цилиндров с конденсаторами, а затем использовать схему на электронных лампах, чтобы их складывать и вычитать, после чего результат отправлять в блок памяти. Как он вспоминал, после нескольких часов обдумывания всех этих проблем он “сел в машину и поехал домой, уже не так быстро”³³.

К маю 1939 года Атанасов был готов начать создание прототипа. Ему нужен был помощник, предпочтительно аспирант с инженерными навыками. Однажды друг, работавший на том же факультете, сказал ему: “У меня есть как раз такой человек, который тебе нужен”. Так у него началось сотрудничество с Клиффордом Берри — тоже сыном электрика-самоучки³⁴.

Прототип был разработан и собран, его единственной целью было решение системы линейных уравнений. Машина Атанасова могла работать с системами, содержащими до двадцати девяти переменных. На каждом шагу она обрабатывала два уравнения и убирала одну из переменных, а затем распечатывала получившиеся уравнения на двоичных перфокартах размером 8 х 11, после чего набор карт с более простой системой уравнений подавался обратно в машину, и процесс начинался заново, а затем убиралась еще одна переменная. Это требовало много времени. Чтобы найти решение системы из двадцати девяти уравнений, машине потребовалось бы (если бы они могли заставить ее работать как нужно) считать почти неделю. Но если те же самые расчеты выполняли бы люди с помощью настольных калькуляторов, они потратили бы на это по крайней мере десять недель.

Атанасов продемонстрировал прототип в конце 1939 года и, надеясь получить финансирование на строительство полноценной машины, напечатал на машинке тридцатипятистраничное ее описание и сделал с него несколько копий через копирку. Начинался текст следующими словами: “Главная цель этого предложения — представить описание устройства и работы вычислительной машины, которая была разработана в основном для решения больших систем линейных алгебраических уравнений”. Как будто для того, чтобы ответить критикам, считавшим недостатком, что назначение большой машины было ограничено только решением систем уравнений со многими неизвестными, Атанасов перечислил длинный список проблем, для которых требуется решение таких систем: “аппроксимация кривой… колебательные задачи… анализ электрических схем. упругие материалы”. В заключение он представил подробный перечень предполагаемых расходов, которые в сумме давали грандиозную цифру — 5330 долларов, и эти деньги он в конечном итоге получил от частного фонда³⁵. Затем он послал одну из печатных копий своего предложения в Чикаго патентному адвокату, нанятому Университетом Айовы, который в нарушение служебного долга не удосужился подать заявку на патент, и из-за его просчета правовой спор затянулся на десять лет.

К сентябрю 1942 года полноценная модель машины Атанасова была почти закончена. Она была размером с письменный стол, и в ней использовалось до трехсот электронных ламп. Была, однако, проблема: механизм для прожигания отверстий в перфокартах с помощью искры никогда не работал должным образом, и не было никакой команды механиков и инженеров в Университете Айовы, к которым можно было обратиться за помощью.

В этот момент работа остановилась. Атанасов был призван на службу во флот и послан в исследовательскую артиллерийскую лабораторию ВМС в Вашингтоне, где он работал над проблемами акустических мин, а затем принял участие в испытаниях атомной бомбы на атолле Бикини. В этот период он переключил внимание с компьютеров на инженерные проблемы, связанные с боеприпасами, но он остался изобретателем, подготовил тридцать патентов, в том числе на устройство для траления мин. Но его адвокат из Чикаго так никогда и не подал патентную заявку на его компьютер.

Компьютер Атанасова мог бы стать важной вехой в развитии вычислительной техники, но он был и в прямом, и в переносном смысле отправлен на свалку истории. Почти работающая машина была оставлена на хранении в подвале физического факультета Университета Айовы, и несколько лет спустя никто, казалось, не помнил, что она существовала. Когда в 1948 году занимаемое ею место понадобилось для других целей, некий аспирант разобрал ее, не поняв, что это было, и выбросил большую часть деталей³⁶. Во многих тогдашних историях, рассказывавших о начале компьютерной революции, Атанасов даже не упоминается.

Даже если бы компьютер Атанасова заработал должным образом, у него были бы ограниченные возможности. Схемы с электронными лампами производили молниеносные расчеты, но механически поворачивающиеся ячейки памяти многократно замедляли процесс. И система прожигания отверстий в перфокартах, даже когда она работала, тормозила работу. Для того чтобы стать по-настоящему быстродействующими, современные компьютеры должны были стать полностью, а не частично электронными. Кроме того, модель Атанасова не была программируемой. Она была спроектирована только для того, чтобы решать линейные уравнения.

Из-за романтической тяги к изобретательству Атанасов был одиноким энтузиастом, работавшим много лет в подвале с единственным помощником — молодым напарником Клиффордом Берри. Но история его жизни свидетельствует о том, что на самом деле не следует романтизировать таких одиночек. Как и Бэббидж, который также трудился в своей маленькой мастерской и которому помогал только один ассистент, Атанасов так и не довел свою машину до полностью рабочего состояния. Если бы он работал в Bell Labs в содружестве с командами техников, инженеров и механиков или в большом университете, имеющем исследовательские лаборатории, скорее всего, нашлось бы решение для крепления и устройства считывания перфокарт и для других массивных частей его хитроумной машины. Кроме того, когда в 1942 году Атанасов был призван служить в ВМФ США, в лаборатории остались бы другие члены команды, способные доделать машину или по крайней мере вспомнить, что она создавалась.

Спасла Атанасова от забвения довольно нелепая история. В июне 1941 года его посетил один из тех людей, которые вместо того, чтобы трудиться в одиночестве, любили ездить по разным местам, подхватывать идеи и работать в команде. Поездка Джона Мокли в Айову позже станет предметом дорогостоящих судебных процессов, горьких обвинений и противоположных интерпретаций. Но она и спасла Атанасова от безвестности и подтолкнула ход развития компьютерной техники вперед.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.