Компютър на Атанасов – Бери

Компютърът на Атанасов – Бери (, съкратено ABC) е първият модел на електронен цифров компютър с регенеративна памет. Създаден е като университетски проект на новаторска сметачна машина в периода от 1939 до 1942 г. от Джон Атанасов и Клифърд Бери. Макар че АВС все още не е днешният универсален компютър със запаметена програма, в него са реализирани някои принципни решения, валидни и днес.

Машината е проектирана и създадена по време на работата на Джон Атанасов като преподавател в катедрата по физика на Щатския колеж в Айова (, ISC). Целта е да се решават системи с до 29 линейни уравнения с до 29 неизвестни по модифициран метод на Гаус, но проектът е прекъснат поради войната на стадий, на който машината е решавала системи уравнения с 3 до 5 неизвестни. След това е демонтирана и забравена. Получава широка известност в края на 1960-те по повод на патентния спор за ENIAC, когато АВС е цитиран като предходна реализация на някои от идеите, залегнали в ENIAC.

В края на 1990-те е направена реплика на компютъра на Атанасов – Бери, изложена в Центъра за изчислителна техника и комуникации Дърам в Университета на Айова.

История В научната си дейност Атанасов изпитва ежедневна необходимост от решаване на диференциални уравнения. През 1936 г. заедно с Глен Мърфи, колега атомен физик, създават малък аналогов калкулатор за изследване на геометрията на повърхности, който наричат „лапласиометър“. Той решава уравнение на Лаплас директно, без да извършва преобразуване на диференциалните уравнения. Атанасов установява, че точността му прогресивно намалява с увеличаването на отклонението на отделните части на машината от номиналните параметри – недостатък, присъщ на аналоговите устройства. Друг метод е преминаването към числено решаване на системи от линейни уравнения. През 1930-те за обемни изчисления се използват електромеханични сметачни или табулиращи машини. Първоначално той се опитва да приспособи за целите си табулатор на IBM, но компанията забранява каквито и да е промени.

Към края на 1938 г. Атанасов стига до концепцията за принципно нова сметачна машина – да бъде цифрова, да смята с двоични числа вместо с десетични, да не брои, а да използва логически изрази, да извършва изчисленията на базата на електронни лампи, а не на релета, и да има памет отделно от изчислителния модул. Според собствените му разкази той намира това решение по необичаен начин – една нощ, разочарован от множеството безплодни усилия по проекта, той се качва на колата си и кара без конкретна посока. След двеста километра спира в крайпътно заведение в Илинойс и там на чаша питие стига до това, което впоследствие ще се окаже практическата реализация. Освен физик и математик Атанасов има квалификация и по електроника, което му помага да проектира конкретните схемни решения. За построяването на машината Атанасов се нуждае от техническа помощ и Харолд Андерсън, също професор по физика в ISC, му препоръчва един от най-добрите си дипломанти – Клифърд Бери.

През март 1939 г. от ISC му отпускат 650 долара и Атанасов и Бери започват работа в приземието на лабораторията по физика. В края на декември на 1939 г. Атанасов и Бери създават малък настолен модел (прототип), който им позволява да тестват паметта и изчислителния модул в различни условия. Резултатите са добри, макар че операции се извършват с 8-разредни двоични еквиваленти на десетични числа, и те получават още 850 долара от ISC. През 1940 г. Атанасов представя кратко описание на машината, кандидатства за финансиране и през 1941 получава 5330 долара от Research Corporation of New York, До средата на 1942 г. успяват да създадат електронна сметачна машина, която изпълнява операциите събиране и изваждане в двоичен код, като използва отделна памет от електростатичен тип, изпълнена с кондензатори. Поради някои конструктивни трудности успяват да решат системи с линейни уравнения само с 3 до 5 неизвестни. По същото време Атанасов и Бери предават на ръководството на ISC подробно описание на машината според договора, сключен през 1941 при получаването на външното финансиране, но заявка за патентоване така и не е направена.

През 1941 г. Джон Моукли, с когото Атанасов споделя общ интерес към методите за високопродуктивни обемни изчисления, идва на посещение в Еймс и разглежда машината. Това е добре документирано и изиграва голяма роля по-късно при решаването на патентния спор за ENIAC в края на 1960-те.

С развитието на Втората световна война Атанасов и Бери са мобилизирани да работят във военни проекти извън Айова и така и не се връщат към проекта. Машината е демонтирана, повечето компоненти са изгубени, запазва се само един от барабаните памет с кондензатори. Проектът става широко известен едва по повод на корпоративните дела, когато някои от документите и чертежите са предявени като основен аргумент срещу претенцията на Моукли и Екерт, че са създали първия електронен цифров компютър. Едва през 1968 Атанасов нарича своята машина компютър на Атанасов – Бери Бери умира внезапно при неизяснени обстоятелства през 1963 г.

Описание

Атанасов решава да приложи модифициран метод на Гаус,При този метод неизвестните се изключват последователно чрез умножение и изваждане на коефициентите, като в резултат броят на уравненията в системата се намалява с единица. Процедурата се повтаря до достигането на едно уравнение с едно неизвестно, което се решава лесно. Изчислената стойност се замества в предходното уравнение, което също става с едно неизвестно и т.н. За решаване на система с 29 неизвестни методът на Гаус изисква извършването на 293 операции. който отнема 10 пъти по-малко време, при който се извършват само операции събиране и изваждане. В дадена двойка уравнения онова, което има по-малък коефициент пред неизвестното х1, се изважда от другото уравнение толкова пъти, колкото е необходимо, за да стане коефициентът пред този член нула – полученото уравнение е с едно неизвестно по-малко. Процедурата се повтаря с друга двойка уравнения и се стига до второ уравнение с елиминирано същото неизвестно. Групирането на уравненията по двойки и елиминирането се повтарят докато се стигне до уравнение с едно неизвестно. То не се решава веднага, а с него и с всяко от първоначалните уравнения се образуват нови двойки, докато накрая се получат толкова уравнения с едно неизвестно, колкото са неизвестните и това всъщност е търсеното решение. Крайният резултат се изчислява ръчно, като константата във всяко уравнение се разделя на коефициента.

Според Бъркс основните решения, които взема Атанасов при конструирането, са четири. Най-напред с оглед на постигането на висока точност той избира цифрови, а не аналогови изчисления. Второто важно решение е размерът на изчислителната задача, която си поставя: решаване на система от 29 уравнения с 29 неизвестни (една доста сериозна изчислителна задача за тогавашните времена, тъй като дотогава рядко се опитва решаването на системи от уравнения с повече от 10 неизвестни), което означава обработка на 30 коефициента, при това той предвижда точност на представяне от 15 десетични знака. Третото решение е модификацията на метода на Гаус. От това произтичат следните конструктивни решения: необходими са изчислителен модул, отделна междинна памет, както и средства за вход и изход. За изчислителния модул Атанасов избира не релета, а електрически вериги с електронни лампи, които дават възможност за изпълнение на логически изрази. Четвъртото му важно решение е да избере двоичен формат за представяне на числата, а не десетичен, както е популярно в известните дотогава машини. Това го насочва за паметта да използва кондензатори, чиито две състояния – заредено и разредено – съответстват на 0 и 1. За да осигури точност от 15 десетични знака Атанасов избира 50-битово представяне на числата (плюс един бит за знак + или – ).

Изчислителният модул представлява поредица от 30 идентични последователни суматора (), работещи едновременно (днес бихме нарекли този модул аритметично-логическо устройство). Всеки суматор е предназначен за събиране или изваждане на една двойка числа (машинна дума). Те изваждат всеки коефициент на едното уравнение от съответния коефициент на второто и повтарят процедурата дотогава, докато коефициентът пред едно от неизвестните стане нула, т.е., броят им намалее с 1. След това полученото уравнение с едно неизвестно по-малко се записва като междинен резултат на подходящ носител и се подава отново за следваща операция по елиминиране.В днешни термини може да се каже, че операнд А и B се изваждат и резултатът се запомня в операнд А Паметта, върху които се записват коефициентите на една двойка уравнения, е във формата на два въртящи се барабана, разположени върху обща ос.

Корпусът на АВС е изработен от профилна стомана и има размери на голямо бюро: 1500 х 910 х 910 mm. Когато е поставен капакът на запаметяващите барабани, машината наподобява пиано. Тежи само 340 kg (за сравнение ENIAC заема 167 m2). Машината се захранва от електрически ток с напрежение 120 волта и честота 60 херца, която се използва и за задаване на такта. По-голяма част от работата по монтажа на ABC е дело на Клифърд Бери с помощта на студенти.

Вход-изход Входно-изходните операции са два типа: външни и вътрешни. При външния вход коефициентите и константите на всяко едно от две уравнения се въвеждат посредством специално конструиран четец на стандартни перфокарти, записани като десетични числа на 80 колони и 10 реда. Това позволява въвеждане наведнъж на пет 15-разредни коефициента, плюс знак. С помощта на преобразуващ барабан те се трансформират от десетичен в двоичен код и се записват в запаметяващите барабани. След приключване на изчисленията за извеждане на резултата (коефициент и свободен член на едно уравнение с едно неизвестно) се използва електромагнитен брояч, като преди това се преминава обратно към десетичен код. Окончателното разделяне на свободния член на коефициента се извършва на ръка с калкулатор.

Вътрешното циклично въвеждане и извеждане на междинните двоични резултати, което е необходимо за метода на елиминацията, е основен проблем за проекта, защото по това време не е известен метод за запис на двоичен код. Затова Атанасов и Бери конструират оригинални двоични „карти“ с по-голям формат 8,5 х 11 инча, изработени от подходящ диелектрик (хартия). Идеята за тях е на Клифърд Бери, който предлага записът да става чрез прогарянето им с високоволтова искра, а четенето да се основава на намаленото пробивно напрежение на мястото на дупчиците. Тази идея се превръща в негова магистърска дисертация. Разработени са съответните електронни устройства за запис (прогаряне с високоволтов дъгов разряд), като дупката отбелязва логическа 1, а отсъствието ѝ е логическа 0, и за четене. На всяка карта се записват/четат 30 реда едновременно в 50 колони и, т.е. 1500 бита. Устройствата за запис и четене на двоични данни обаче не са достатъчно надеждни, тъй като е необходимо да се намери оптималната комбинация от пробивно напрежение за запис и свойства на диелектрика, и оптимално напрежение за четене. Експериментите показват наличието на случайни грешки, като вероятността за грешка нараства бързо след достигането на 104 бита, което означава, че могат да се решават успешно системи не с 29, а с по-малък брой неизвестни – до пет системи с пет неизвестни. При тестването на репликата през 1997 г. Густафсон отговаря на въпроса „Работил ли е ABC?“ така: „да, но проблемите с надеждността пречат на използването на пълния капацитет на паметта му“.

Суматори