ИСТОРИЯ ВТ
Вихри враждебные веют над нами...
Из революционной песни
В одной из предыдущих статей я писал о том, как "война родила первую ЭВМ". Теперь мне хотелось бы рассказать, как потенциальная угроза войны стала катализатором создания одной из самых замечательных ламповых ЭВМ - Whirlwind ("Вихрь"). Она стала основой североамериканской ПВО SAGE*1, которая, по словам историка С. Огартена (S. Augarten), "научила американскую компьютерную индустрию строить большие и взаимосвязанные системы обработки данных, работающие в режиме реального времени".
_____
*1 Sage (англ.) - мудрец.
Требуется универсальный тренажер
Предыстория машины, о которой пойдет речь, началась в 1943-1944 гг., когда по инициативе капитана Луи де Флореца (Luis de Florez), руководителя отделения специальных приборов (Special Devices Division, SDD) в управлении научных исследований и разработок (Office of Scientific Research and Development, OSRD), был заключен контракт с Массачусетским технологическим институтом (MIT). Контракт предполагал проектирование тренажера (симулятора), способного имитировать в режиме реального времени полет самолета. С его помощью пилоты могли бы на земле совершенствовать навыки управления, а конструкторы изучать влияние изменений в возможных тактико-технических характеристиках новых моделей. Такие тренажеры, построенные на базе аналоговой электромеханической техники, использовались и в предвоенные годы, однако при этом для каждой новой конструкции летательного аппарата предлагался свой симулятор. Де Флорец же задумал создать универсальный тренажер, который сократил бы затраты на конструирование и тренинг. Так, в декабре 1944 г. по контракту с SDD началась реализация проекта "Анализатор стабилизации [положения] самолета и его [системы] управления" (Airplane Stability and Control Analyzer, ASCA). Исполнителем проекта стала Лаборатория сервомеханизмов, образованная в 1940 г. известным специалистом по автоматике Гордоном С. Брауном (Gordon S. Brown, 1907-1996) для разработки приводов и систем управления корабельными артиллерийскими орудиями и антеннами палубных радаров.
Джей Р. Форрестер
Непосредственным руководителем работы был назначен 26-летний Джей Райт Форрестер (Jay Wright Forrester). В июле 1939 г. Форрестер был сотрудником лаборатории техники высоких напряжений MIT, но затем перевелся в лабораторию сервомеханизмов. Заботы военного времени заставили его отложить работу над тезисами магистерской диссертации, да и однообразные научные проблемы, которыми он занимался, изрядно ему надоели. Он решил уйти из института, но Браун, не желая терять талантливого сотрудника, предложил ему самостоятельно выбрать и возглавить один из проектов, которые были в портфеле заказов лаборатории. Форрестер отдал предпочтение проекту ASCA; его единомышленником и правой рукой стал свежеиспеченный магистр электротехники Роберт Райверс Эверетт (Robert Rivers Everett, р. 1921). Их имена в истории ВТ стоят рядом, и для экономии места я иногда буду писать сокращенно - Ф.-Э.
Возглавляемая ими небольшая группа сотрудников сначала пошла по проторенной дорожке: примерно полгода было затрачено на создание электромеханического аналогового симулятора, но в результате разработчики пришли к выводу об ошибочности избранного пути. Дело в том, что в режиме реального времени для минимизации времени между действиями пилота и реакцией тренажера требовалось одновременно решить сотню или более дифференциальных уравнений со многими переменными. В принципе это можно было бы сделать с помощью электронной аналоговой техники, но она давала слишком низкую точность вычислений, не соответствующую техническому заданию заказчика (не говоря уже об объеме и стоимости требуемого оборудования). Поэтому в середине 1945 г. Ф.-Э. поняли тщетность своих усилий и начали искать другие варианты решения стоявшей перед группой задачи.
Форрестер резко перекладывает руль
Первым человеком, обратившим их внимание на целесообразность переориентации проекта на цифровую ВТ, был коллега Форрестера по магистратуре Перри О. Кроуфорд (Perry O. Crawford), о котором я уже упоминал ранее (см. PC Week/RE, N 20/2006, c. 35). Форрестер вспоминал: " Он рассказал мне о гарвардской машине Mark I и об ENIAC’е, который находился еще в стадии проектирования. Перри был очень открытым, лишенным бюрократических замашек человеком и запросто общался с флотскими начальниками, хотя сам был штатским (в октябре 1945 г. Кроуфорд стал вольнонаемным сотрудником SDD. - Ю. П.). Он внушил им мысль, что цифровые вычислительные машины в будущем должны использоваться на командных пунктах в качестве основы информационных и управленческих систем... Ему мы во многом обязаны рождением нашей машины".
В ноябре 1945 г., действуя на свой страх и риск, Форрестер решил переключить сотрудников на разработку эскизного варианта цифровой машины, не согласовав такой поворот с заказчиком. Это был смелый поступок, если учесть, что большинство из членов группы не имело даже приблизительного представления об ЭВМ и им пришлось начинать с азов. Ф.-Э., как руководители оборонного проекта, имели допуск к засекреченным Mark I и ENIAC’у и подробно познакомились с их структурой и техническим исполнением, получили полезные консультации в Гарвардском и Пенсильванском университетах, где эти машины были разработаны, а также в Bell Telephone Laboratories. Еще больше информации неофиты извлекли из появившегося в конце июня 1945 г. "Первого варианта отчета об EDVAC’е" Джона фон Неймана.
В середине января следующего года Форрестер обратился с памятной запиской к руководителям SDD, в которой предлагал построить тренажер на базе цифровой вычислительной машины. Кроме того, автор записки указывал, что быстродействующая, работающая в режиме реального времени машина могла бы быть полезной и при решении других оборонных задач, например использоваться вместо весьма грубых аналоговых вычислителей в устройствах управления артиллерийским огнем или в системах автоматического сбора информации о воздушном нападении противника и т. д. Не без влияния Кроуфорда это предложение было принято, и в марте того же года в лаборатории сервомеханизмов началась разработка ЭВМ. Название машины - "Вихрь" - видимо, должно было подчеркнуть ее высокое быстродействие.
Роберт Р. Эверетт
Задачи, стоявшие перед Форрестером и его командой, были новы и чрезвычайно сложны, поскольку им впервые предстояло спроектировать ЭВМ, работающую в режиме реального времени (ранее созданные ВМ предназначались для решения научно-технических задач). В связи с этим требовалось кардинально увеличить быстродействие машины (по расчетам Форрестера, до 20-50 тыс. операций в секунду) и использовать скоростную и надежную внутреннюю память большой емкости, способную оперировать значительным объемом информации о поведении имитируемого самолета. Необходимо было также создать новое программное обеспечение для обработки непрерывно поступающего потока данных, так как все другие ВМ использовали режим пакетной обработки, совершенно неприемлемый в данном случае. К этому следует добавить требования повышенной надежности, умеренного потребления энергии и т. д.
Нельзя забывать, что преодолеть эти (и другие) трудности должны были люди, не имевшие ни малейшего опыта общения с цифровой техникой. Даже через три месяца после начала работы над "Вихрем" (в июне 1946 г.) Форрестер писал: "Нынешнее наше положение не позволяет определить, что именно мы собираемся построить в июне следующего года, поскольку нами еще не изучены те наилучшие принципы, которые должны быть положены в основу будущей машины". Несомненно, огромную помощь в осознании "наилучших принципов" оказал курс "Теория и методы проектирования электронных цифровых вычислительных машин", который руководители проекта прослушали в июле - августе 1946 г. в школе Мура при Пенсильванском университете (см. PC Week/RE, N 13/2006, c. 44). Приобретенные таким образом знания позволили Ф.-Э. к концу 1947 г. вчерне определиться со структурой машины, и в следующем году их команда приступила к экспериментам и поузловой разработке "Вихря".
"В бореньях силы напрягая..."
Главные технические задачи, стоявшие перед Форрестером со товарищи, заключались в выборе или создании внутренней памяти, адекватной требованиям проекта, и повышении надежности ламповых дискретных цепей.
В отношении памяти выбор был невелик: общепринятая РУЛЗ была слишком медлительной и ее использование обуславливало поразрядно-последовательный характер вычислений, что никоим образом не позволяло получить высокое быстродействие; тем же свойством в принципе обладал и НМБ, создание которого велось в Engineering Research Associates, Inc. В поисках физического элемента, способного составить основу памяти, Форрестер безуспешно испробовал и другие варианты. Так, для хранения одного разряда он пытался применить газонаполненные лампы - "неонки" и ксеноновые лампы-вспышки (xenon flash lamp), изобретенные профессором MIT Гарольдом Юджином Эджертоном (Harold Eugene Edgerton, 1903-1990).
К счастью, к концу 1946 г. наметилась удачная альтернатива: в ноябре профессор Манчестерского университета Ф. К. Уильямс, используя стандартную электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), продемонстрировал возможность хранения на ее экране и считывания с него одного двоичного разряда. Благодаря тесным англо-американским научным связям об этом вскоре стало известно в США. Но от потенциальной возможности до реального осуществления идеи - долгий путь. Не дожидаясь, пока заокеанские коллеги создадут многоразрядную память на трубках (см. PC Week/RE, N 32/2006, c. 37), Форрестер привлек к решению проблемы знаменитую лабораторию излучения (Radiation Laboratory, RadLab) своего института, компании Raytheon, Sylvania и др. Забегая вперед, скажу, что основные исследования, продолжавшиеся в течение четырех лет, все же были выполнены его сотрудниками: решены такие проблемы, как стабилизация диаметра и однородности пятна на экране трубки, улучшена фокусировка луча и т. д. Новую конструкцию трубки, имевшую, в частности, дополнительную электронно-лучевую пушку для периодической регенерации электростатического заряда, изготавливала корпорация RCA.
Не менее скрупулезно команда Ф.-Э. работала над проблемой увеличения надежности ламповых цепей. "До 50-х годов вакуумные лампы использовались главным образом в радиотехнике, - писал позднее Форрестер. - Радиоинженеров не волновало, что средний срок службы лампы составляет 500 ч. Но разработчики ЭВМ использовали тысячи ламп и хорошо понимали, что их малый срок работы приведет к сбоям машины через каждые пару минут. Одно из достижений нашей группы заключалось в установлении причин выхода ламп из строя...*1 Устранив эти причины, мы добились значительного увеличения срока службы ламп (было предложено использовать для катода материалы, значительно уменьшающие временную потерю катодной эмиссии. - Ю. П.). Чтобы проверить, сможет ли электронное устройство работать без сбоев длительное время, было построено множительное устройство для перемножения двух 5-разрядных двоичных чисел (оно было изготовлено в 1947 г. и содержало 400 ламп. - Ю. П.). Мы тогда не знали многое из того, что сейчас известно всем инженерам-электронщикам, и опасались, что пики случайных напряжений, генерируемых тепловыми шумами, будут чересчур большими и приведут к ложному переключению дискретных схем... Устройство работало непрерывно в течение многих дней (по данным Эверетта, 45 суток. - Ю. П.), и каждый полученный результат мы сверяли с правильным ответом. Конечно, оно давало сбои, но мы заметили, что они в большинстве случаев приходятся на 3 часа пополудни. Выяснилось, что в это время уборщик в соседнем подъезде здания включал грузовой лифт и возникала дополнительная нагрузка на местную электросеть, это и приводило к сбоям. Было решено для питания машины использовать отдельную систему "мотор - генератор", инерционность которой обеспечивала защиту от пиков напряжения, возникающих при подключении дополнительного оборудования...
_____
*1 Эверетт писал: “ Лампы могли выходить из строя по трем причинам. Первая - род так называемой “детской смертности”, эта причина могла быть преодолена предварительной тренировкой всех ламп. Вторая - механические проблемы, соответствующая конструктивная защита. Мы использовали специальные лампы и кооперировались со многими компаниями, платя от 5 до 10 долл. за штуку, что в те дни было очень высокой ценой. Третья причина - постепенное уменьшение катодной эмиссии, связанное со старением ламп...”
Много времени было потрачено на разработку тестовых программ для обнаружения вышедших из строя ламп. Однажды мы попросили одного из посетителей подойти к любой стойке машины, вынуть лампу из колодки и принести ее на пульт управления. Когда он выполнил нашу просьбу и подошел к пульту, он смог убедиться, что машина сама указала месторасположение пустой колодки... Другие средства повышения надежности рождались совершенно неожиданно. Я помню, как во время годового отчета заказчику один из его представителей спросил: "Что вы собираетесь делать с электронными компонентами, параметры которых постепенно дрейфуют и приближаются к тому пределу, переход через который приведет к ошибкам? Любые незначительные случайные флуктуации питающего напряжения или проезжающие мимо здания автомобили могут стать причиной того, что цепи то будут работать, то не будут". Это был очень важный и сильный вопрос, и, скажу откровенно, мы ранее не задумывались над ним. Но я чувствовал, что он относится к числу тех, что имеют существенное значение и требуют немедленного ответа. И я сказал: "Ну, мы можем, например, уменьшить какое-либо из напряжений, подаваемых на лампу, ниже его номинального значения до такой величины, при которой возможен сбой, и это поможет найти лампу, близкую к выходу из строя".
У стойки ЭВМ “Вихрь”. В левой части
фотографии - Джей Форрестер (слева) и один
из ее разработчиков Норман Тейлор
Эверетт: "Джей предложил использовать систему допускового контроля. С ее учетом были сконструированы все цепи; по мере того как лампы старели, допуски становились все меньше и меньше. Они могли быть измерены путем изменения одного из напряжений, питающих лампы (например, напряжения на сетке)... Если допуск становился слишком малым, лампу заменяли... Мы надеялись, что при проведении регулярной профилактики допусковый контроль поможет определить подлежащие замене лампы еще до того, как они вызовут сбои в работе машины". Замечу, что подобный контроль использовался также для отбраковки в процессе эксплуатации машины трубок Уильямса, близких к выходу из строя.
"Где деньги, Зин?"
Разработка машины шла полным ходом, а между тем над ней сгущались тучи, так как поменялся куратор (спонсор) работы. В декабре 1947 г. OSRD и SDD прекратили существование и финансируемые ими проекты были переданы другим организациям: в частности, проект тренажера перешел в ведение математического отделения управления военно-морских исследований (Office of Naval Research, ONR), созданного годом ранее. Руководитель отделения Майна Спайгель Рис (Mina Spiegel Rees,1902-1997) всячески поддерживала разработку научных ЭВМ, но, будучи чистым математиком, скептически относилась к необходимости создания машины другого назначения. К тому же она полагала, что группе Форрестера не хватает "математических умов" и что для целей проекта можно было бы использовать ЭВМ, проектируемую в принстонском Институте перспективных исследований (IAS). Пришлось Форрестеру оправдываться: "ЭВМ IAS предназначена для научных исследований, целью которых является изучение возможностей быстродействующих ВМ и решение сугубо научных задач, в то время как мы в MIT заняты техническими проблемами, связанными с созданием машины и ее последующим практическим использованием". Тем не менее, чтобы потрафить М. Рис, он пригласил в свою группу профессора математики MIT Филиппа Франклина (Philip Franklin).
В пультовой ЭВМ “Вихрь”
Другая причина возникновения напряженности между заказчиком и разработчиками "Вихря" заключалась в непрерывном росте стоимости проекта. Поначалу Форрестер планировал уложиться в два года и в 875 тыс. долл., но уже в марте 1946 г. обратился с просьбой увеличить бюджет до 1,9 млн. и почти до 3 млн. долл. в следующем финансовом году. К 1949 г. проект ASCA (читай: "Вихрь") поглотил около 65% бюджета математического отделения. Чтобы оправдать расходы, Ф.-Э. по поручению президента MIT Карла Тейлора Комптона (Karl Taylor Compton, 1887-1954) еще в сентябре 1948 г. подготовили доклад для Пентагона о возможных сферах применения управляющих ЭВМ в военных целях. В нем были приведены многочисленные примеры использования машин для управления огнем артиллерийских орудий, обработки данных о запусках ракет, решения задач логистики, контроля полетов самолетов и т. д. Направленность доклада свидетельствовала о том, что его авторы утратили интерес к собственно тренажеру и их привлекает лишь работа над высокопроизводительной ЭВМ. Этого не могли не отметить представители ONR и ВМФ, которые, впрочем, также весьма скептически относились к полезности столь дорогостоящего оборудования. Кроме того, в начале 1950 г. в Пентагоне решили упорядочить финансирование разработок в области ВТ (к этому времени военное ведомство уже выделило средства на реализацию 13 проектов научных ЭВМ). Но суммы, предназначенные для этих проектов, лежали в пределах 300-700 тыс. долл., и по сравнению с ними аппетиты
Ф.-Э. казались невероятно завышенными. Много лет спустя Форрестер говорил: "Очень немногие из представителей внешнего мира понимали предмет нашей работы, цели и методы построения пионерской вычислительной машины. Финансирование почти всегда было неадекватным. Обзоры и анализы [проведенной нами работы] вынуждали нас защищать свои позиции и держать ответ за слабости, на которые указывали нам контролеры. Мы старались извлечь пользу из раздражения, вызванного периодическими анализами проделанного нами, отвечая на вопросы типа: почему вы тратите столь много, почему не укладываетесь в сроки, почему разрабатываете машину так, а не эдак?"
В марте 1950 г. ONR, следуя политике Пентагона, уменьшило финансирование проекта на следующий финансовый год с 1,15 млн. (запрошенных Форрестором) до 250 тыс. долл., и успешное завершение работы над "Вихрем" оказалось под большим вопросом. Но к счастью для будущего компьютерной индустрии, у машины нашелся другой и более мощный заказчик - ВВС США, которым предстояло решить важнейшую общенациональную задачу.
(Окончание следует)
