Nyomtatás

A számítástechnika kultúrtörténete – Az első generációs számítógépek

 

Már az első világháborúban fontos volt a tüzérség ellátása egészen pontos lőelem-számítási táblázatokkal, hiszen az ellenséget minél hatékonyabban kellett zárótűz alá, de minél pontosabban. Nem volt elegendő a lövés szögét és sebességét kiszámítani, de bele kellett kalkulálni a lövedék anyagát, légellenállását, a levegő sűrűségét, hőmérsékletét, …

Ezen igény kielégítésére alapították meg a Ballisztikai Kutató Laboratóriumot. (Ballistic Research Laboratory) 1944-ben a Laboratóriumban volt néhány a szabványos IBM lyukkártyás gépekből és az IBM készített egy speciális szorzógépet is külön a Laboratóriumnak. (Az üzembe helyezés olyan sikeres volt, hogy utána tucatnyi kormányszerv és vállalat is felszerelt hasonló gépeket, közöttük a Los Alamos-i Tudományos Laboratórium, ahol az atombombán dolgoztak.)

 

A Ballisztikai Laboratórium teljes állománya 200 fő körül mozgott, melynek jelentős része az analitikai gépbe táplálta be az adatokat, illetve az abból kijövő lyukkártyákat dolgozta fel. Sajnos Európában az 1930-as évek puskaporos levegőjének hatása oly' annyira fokozódott, hogy eleve inkább női kiszolgáló személyzetet képeztek ki. A háború kitörésekor pedig egyértelmű lett a cél: ballisztikai lőelemszámításokból minél többet és minél pontosabbat kell produkálni a lehető legrövidebb idő alatt. Nyilvánvalóvá lett, hogy a mechanikus, illetve az elektromechanikus gépek nem tudják produkálni a kívánt sebességet. Érdekes adat, hogy egy tipikus röppálya kiszámításához körülbelül 750 szorzásra van szükség, valamennyit 4-6 tizedes jegy pontossággal (legalább). Hasonlítsuk össze a kor lehetőségeit:

 

Elnevezés:

Rövid leírás:

Szükséges idő:

Pontosság:

Gyors ember

kézzel

30-40 óra

4-6 jegy + hibák!

Asztali számológép

mechanikus

3-4 óra

4-6 jegy

Harward-IBM

elektromos és mechanikus

1 óra

5-7 jegy

Bell Telephones Co.

elektromechanikus

20-30 perc

5-7jegy

MARK II.

elektromechanikus

10-15 perc

5-7 jegy

ENIAC

elektronikus digitális

kb. fél perc

8-10 jegy

 

ENIAC

(Munka közben az ENIAC-kal – Herman Goldstine (előtérben) beállítja az ENIAC egyik kapcsolótábláját a Moore School-ban.)
Eredeti verzió: http://arts.music.arizona.edu/

Grace Hopper Grace Hopper
Érdekesség, hogy 1945. szeptember 9-én leállt a Harvard egyetem Mark II-es gépe. Grace Hopper matematikus a gépben kutakodva 15:45-kor talált egy éjjeli lepkét (bug) és innen kezdve az ismeretlen számítógéphiba neve bogár lett (computer bug). A hölgy különben a Harvard egyetem kutatója volt, többekkel együtt ő is segített a Mark I és II programozásában, majd később a Haditengerészet admirálisa lett. Kép eredetije: https://www.britannica.com/biography/Grace-Hopper  , illetve http://www.computerhistory.org/

Így ugye érthető, hogy az új ötlet, az ENIAC, milyen óriási előrelépést jelentett? A legjelentősebb problémát a gépbe beépítendő elektronika jelentette. Az akkori kor legmodernebb (éppen ezért cseppet sem olcsó) eszközéből, az elektroncsőből mintegy 18000-et kellett beleépíteni. Ezek részint jelfogóként, részint tárolóként szolgáltak. A munka 1943. május 31-én kezdődött. A gépezet, amely egyenlőre csak tervasztalon létezett, az Electronic Numerical Integrator And Computer nevet kapta (Elektronikus numerikus integrátor és számítógép).
A fejlesztési és megépítési költségeket 150 000 USA-dollárra becsülték. A dolog problematikáját az elektronikus gépek megbízhatósága okozta, valamint a gyakran "elfáradó" elektroncsövek. Jellemző, hogy 17000 elektroncsővel és másodpercenként 100000 művelettel számolva minden egyes másodpercben 1,7 milliárd hibalehetőség kiküszöbölését kellett megoldani, mivel elegendő volt, ha csak egyetlen egy elektroncső hibásodott meg.

ENIAC team

Főbb megalkotói (balról jobbra): J. Presper Eckert, Jr.; John Grist Brainerd; Sam Feltman; Herman H. Goldstine; John W. Mauchly; Harold Pender; G. L. Barnes vezérőrnagy; Paul N. Gillon ezredes. Maga az ENIAC az első olyan moduláris számítógép volt, melynek paneljait összeállítva különféle számításokra lehet alkalmazni! A gépben 16 fajta, 17468 darab elektroncső, 70 ezer ellenállás, 7200 kristálydióda, 10 ezer kondenzátor, 4100 relé helyezkedett el egy körülbelül 2,5 méter magas és 40 méter összes hosszúságú szerelvényfalon. A gép teljesítményfelvétele 150 kW volt! Elhelyezéséhez egy 30 méternél hosszabb terem kellett és az ENIAC 30 tonnát nyomott.

A gép aritmetikai része 20 akkumulátort tartalmazott (az összeadáshoz és a kivonáshoz), továbbá egy szorzó- és egy kombinált osztó- és négyzetgyökvonó egységet. A számokat az ENIAC-ba egy konstans beviteli egységgel lehetett bejuttatni, amely egy szabvány IBM kártyaolvasóval működött. Az olvasó szabvány lyukkártyákat tapogat le, amelyek 80x16 jelet tartalmaznak. Az eredményeket ugyanilyen lyukkártyára nyomtatta ki az ENIAC. Ezekről egy szabványos IBM tabulátor (nyomtató) segítségével lehetett táblázatokat készíteni. Három függvénytábla-egység tárolja a táblázatok adatait. Mindegyik egy-egy hordozható kapcsolókkal ellátott függvénymátrixszal van kapcsolatban, ezeken egy független változó 104 értékének mindegyikét 12 számjeggyel és 2 előjellel lehet beállítani. A számolás közbe kapott számokat akkumulátorokban lehet tárolni, illetve ki is lehet nyomtatni. Az akkumlátorok egyszerű gyűrűsszámlálókból voltak felépítve, amik 10-féle eredményt tudtak tárolni. A kapott impulzus egy állapottal tovább billentette őket, ha pedig a 10. állapotból is tovább kellett billenniük, akkor egy jelet adtak le, majd az első állapotba mentek vissza. A gyűrűs számlálók egy számjegyet tudtak tárolni. Minden egyes akkumulátor ilyen és ehhez hasonló számlálókból állt össze. Egy-egy összeadás és kivonás 1/5000 másodpercet vett igénybe. A szorzóegység egy szorzást 14 összeadásnyi idő alatt, azaz kb. 3 millimásodperc alatt végzett el. Az osztás a 10-es rendszerben némiképp bonyolultabb, így kb. 143 összeadásnyi idő kellett hozzá, azaz kb. 30 millimásodperc. A négyzetgyökvonáshoz kb. ugyanennyi.

ENIAC rear

Az ENIAC hátsó felének részlete telis-tele elektroncsövekkel –

kép eredetije: http://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC

 


Mivel a Ballisztikai Kutató Laboratórium volt az ENIAC egyik fő támogatója, így az eredetileg a katonaság Los Alamos-i hidrogénbomba-kutatásában résztvevő John von Neumann is részt vett az ENIAC-projektben, amint tudomására jutott a számítógép tervezése (1945-től). Akkoriban ő volt a világ egyik legnagyobb matematikusa és az egyik legzseniálisabb tudósa. Segítségét Szilárd Leó, az atombomba és Albert Einstein, a relativítás atyja is igen sokra értékelte. Neumann munkásságának eredményeképpen a "First Draft..." nevű belső jelentésben elsőként foglalta össze a modern számítógép technikai és elvi követelményeit, valamint a tárolt program elvét a soros működésű, memória-szervezésű architektúra mellett. (Képen: Neumann János. Eredeti kép: http://www.computerhistory.org/) A fő elvek a következők voltak:

 

Neumann
1. A számítógép legyen teljesen elektronikus. Külön vezérlő és végrehajtó egysége legyen.

2. Kettes számrendszert használjon.

3. Az adatok és a programok ugyanabban a belső tárban, a memóriában legyenek.

4. A számítógép univerzális Turing-gép legyen.

Mind a mai napig valamennyi számítógép Neumann-elvű!

Los Alamos bázisa később annyira bekapcsolódott az ENIAC futtatásába és tesztelésébe, hogy az eredetileg tervezett tüzérségi számítások mellett hidrogénbomba-kutatásokra is alkalmazták a gépet. Az ENIAC-ot számos komplex művelet-sorral lehetett programozni, közte hurkok, ágak, elágazások és szubrutinok. Ám a feladat nehézsége össze sem hasonlítható a mai programozással, mivel a hetek alatt papírra került (logikai) terveket igen alapos ellenőrzés és tesztelés követte, majd csak utána lehetett mindezt a szabványos lyukkártyákra áttenni, hogy végül is lefuttatható legyen a gépen.

Az iszonyú mennyiségű és akkoriban még igen megbízhatatlan elektroncsövek állandóan elromlottak. Viszont ebben a kuszaságban lehetetlen volt az egy-két hibás elektroncsövet megtalálni. Így az üzemeltetők azt az első látásra furcsa eljárást alkalmazták, hogy egyszerre cserélték ki az összes elektroncsövek, amikor azok várható élettartamuk felénél jártak. Az ENIAC átlagosan 2-5 órát működött, majd jött 1-2 napos hibakeresés és programozás. A gép maga 1955-ig működött, majd múzeumba került. Az ENIAC nagy tragédiája volt, hogy már elkészültekor is elavult.

Az ENIAC megépítésétől, tehát a tisztán elektronikus számítógép megszületésétől kezdve soroljuk generációkba a számítógépeket. Az első generációs gépek között azonban nem is az ENIAC volt az első, hanem a teljesen titokban, Angliában épített katonai kódfejtő gép, a Colossus. Miután ez a gép sokáig még katonai célokat szolgált, így létezésére csak 1975-ben derült fény.

 

Ugyancsak híressé vált az ENIAC utódja, a működését 1949-ben kezdő EDVAC.
(Electronic Discrete VAriable Computer) is, amely az első belső programvezérlésű, elektronikus, digitális, univerzális számítógép volt. Ez a gép már valamivel megbízhatóbban működött, mint az ENIAC, de lényegében ugyanazok voltak a bajai. (alkatrészek, csere, nagy fogyasztás, iszonyú költségek)

A valamivel korábban Angliában elkészített EDSAC is ugyanezeket az elveket alkalmazta.
Az első sorozatban gyártott számítógép az 1951-ben elkészült Univac (Universal Automatic Computer) volt. Ekkor a világon már hat számítógép üzemelt. Az IBM akkori elnöke, Thomas Watson szerint: "Úgy gondoljuk, hogy a világpiacon talán öt darab számítógépet tudnánk eladni." Ennek ellenére cége is bekapcsolódott a versenybe. A jóslat nem, de a döntés igen sikeresnek bizonyult.
A programozás ekkor vagy huzalos kialakítású volt, vagy a gép saját nyelvén történt tömény matematikával. Ekkor még szavak nem voltak, csak matematikai kódok. Egy angol atomtudós fejlesztette ki azt a programot, amely a gép működéséhez közel álló szavakat alkalmazott, a program leírásában pedig már nem számokat, hanem a funkcióra utaló kisebb angol nyelvű betűcsoportokat használtak. Ez az assembly nyelv szolgált később a többi számítógépes nyelv alapjául. Képek forrása: http://www.computerhistory.org/

Az első generációs gépek összehasonlító táblázata

Név

1. működés

Számítási rendszer

működési elv

Programozás

Zuse Z3 (Németo.)

1941.máj.

Bináris lebegőpontos

elektro-mechanikus

35 mm-es filmszalag

Atanasoff-Berry Computer (USA)

1942.

Bináris

elektronikus

Nem programozható - egycélú

Colossus Mark I (Anglia)

1944.febr.

Bináris

elektronikus

Kábelekkel és kapcsolókkal vezérelhető

Harvard Mark I – IBM ASCC (USA)

1944.máj.

Tízes

elektro-mechanikus

Program-vezérelt 24 csatornás lyukasztott papírszalag (de nincs elágazás)

Colossus Mark II (Anglia)

1944.jún.

Bináris

elektronikus

Kábelekkel és kapcsolókkal vezérelhető

Zuse Z4 (Németo.)

1945.márc.

Bináris lebegőpontos

elektro-mechanikus

35 mm-es filmszalag

ENIAC (USA)

1946.júl.

Tízes

elektronikus

Kábelekkel és kapcsolókkal vezérelhető

Módosított ENIAC (USA)

1948.szept.

Tízes

elektronikus

Csak olvasható tárolt programozású mechanizmussal rendelkező táblák

EDSAC (Anglia)

1949.máj.

Bináris

elektronikus

Higany-bázisú tárolt memória segítségével

Manchester Mark I (Anglia)

1949.okt.

Bináris

elektronikus

Katódsugárcsöves és mágnesdobos memória

 


EDVAC

 

EDVAC – Kép forrása: http://www.computerhistory.org/

 

Univac

Univac – Kép forrása: http://www.computerhistory.org/

Univac use

UNIVAC I: Első generációs számítógép 1951-ből. Az USA Népszámlálási Hivatala (U.S. Census Bureau) volt az első üzleti számítógép felhasználója. Habár a Remington Rand-on készült, a gépet leginkább (tévesen) "IBM UNIVAC" néven említik. A gépből 46 példány készült a területi népszámlálási hivataloknak több, mint 1 millió dollárért, melyből 750 000 $ volt a gép, plusz 185 000 $ a nagy sebességű nyomtató. Sebesség: 1905 művelet másodpercenként. I/O: mágnesszalag, univerzális író, nyomtató. Memória mérete: 1000 darab 12-jegyű szám várakozási sorokban. Memória típusa: várakozási sorok, mágneses szalag. Technológia: sorba kötött vákuumcsövek, mágnesszalag. Helyigény: 943 köbláb. Project vezetői: J. Presper Eckert and John Mauchly.

Kép eredetije: http://www.computerhistory.org/

Manchester Mark I

Manchester Mark I: Első generációs számítógép. Építése: 1947-1949. Lépésideje: 1.8 millimásodperc. I/O: papír, nyomtató, kapcsolók. Memória mérete: 128 + 1024 40-jegyű szám. Memória típusa: katódsugárcső és mágnesdob. Technológia: 1300 vákuumcső. Mérete: közepes szoba. Project-vezetők: Frederick Williams and Tom Kilburn.

Kép eredetije: http://www.computer50.org/

Colossus

Képen: Colossus - bináris elektronikus számítógép, amely kábelekkel és kapcsolókkal volt vezérelhető.
Kép eredetije: http://www.extremities.com/pct/index.php?nxt=hwbasics&sub=hwhist2

Konrad Zuse

Konrad Zuse: (1910-1995) Német mérnök, aki sorra építette egyre fejlettebb gépeit. Sorban az első a mechanikus Z1 (1936-ban), majd a már jelfogókkal is ellátott Z2 után megépítette a Z3-at, a világ első jól működő, programvezérlésű, kettes számrendszerben dolgozó, elektromechanikus számológépét. Zuse gépei Babbage készülékeihez hasonlóan működtek, de reléi révén sokkal gyorsabban. Zuse nagy tragédiája, hogy a náci Németország nem értékelte a munkáját és csak sokkal később ismerték el zsenialítását. Zuse gépe a ma is használt lebegő-pontos számábrázolást alkalmazta és a vezérléshez egy ugyan kezdetleges, de programozási nyelvet használt, a Plankalkült. Kép eredetije: http://www.computer50.org/

Zuse 2

Z1: Konrad Zuse berlini mérnök első, 1936-ben épült még mechanikus gépe. Frekvenciája: 1 Hz. Súlya: kb. 500kg. A számoláshoz 22 bites mantisszát és 8 bites kitevőt használt. Egy szorzás pl. 5 másodpercig tartott. Kép és adatok: http://www.alliedbytes.de/

Z2: Konrad Zuse berlini mérnök, második, 1939-re elkészült, immár telefonreléket tartalmazó gépe. Gyorsabb és pontosabb volt, mint elődje. Súlya: 500 kg volt, fogyasztása: 1 KWatt és egy szóhossza: 16 bit. A munkát főleg a 200 beépített relé végezte 3 Hz-es órajellel. Itt már létezett egy egész stabil és használható programnyelv.

Zuse 3

Z3: Konrad Zuse berlini mérnök harmadik, programvezérlésű, kettes számrendszerben dolgozó, elektromechanikus számológépe! Elkészülte: 1941. május 12-e. Ez volt a világ első jól működő, programvezérlésű, kettes számrendszerben dolgozó, elektromechanikus számológépe. Tartalmazott 1400 telefonrelét, melyek 64*22 bit szóhosszat tudtak kezelni. Súlya: 1000 kg, teljesítmény-felvétele: 4 KWatt, órajele: 5 és 10 Hz között. Egy összeadás 3, egy szorzás 16, egy osztás 28 órajel. Ki-/bemenet: kézi vezérlésű lyukkártya-adagoló. Kép és adatok:

http://www.alliedbytes.de/ , illetve http://www.boerner.net/

Atanasoff-Berry Computer

Atanasoff-Berry Computer – Kép eredetije: http://www.computerhistory.org!

 

(c) TFeri.hu, 2011.; felújítva: 2016 és 2020.

 

Felhasznált irodalom: