Бизенц Торра - Том 15. От абака к цифровой революции. Алгоритмы и вычисления

В «Первом черновике» была представлена архитектура фон Неймана, описывавшая наиболее эффективное устройство компьютера. В архитектуре фон Неймана программы хранятся во внутренней памяти компьютера, а устройства обработки и хранения данных разделены. Кроме этого, фон Нейман предложил хранить программы и данные в одной и той же памяти в целях экономии. Работа компьютера в архитектуре фон Неймана в общем виде состоит из трех этапов.

1. Извлечение инструкции из памяти.

2. Декодирование.

3. Исполнение.

* * *

ENIAC

ENIAC был завершен и представлен прессе в 1945 году, проработав десять лет до окончательной остановки в 1955 году. Учеными, внесшими основной вклад в его создание, были Герман Хайн Голдстайн, Джон Пресперт Эккерт и Джон Уильям Мокли. Этот огромный компьютер занимал площадь в 63 м 2, весил 30 тонн и имел 2,6 метра в высоту, 0,9 — в ширину и 26 — в длину. В нем использовалось 18000 электронных ламп, 72000 диодов, 70000 резисторов и 1500 реле. Чтобы построить ENIAC, потребовалось выполнить примерно 5 миллионов соединений ручной пайки. Его стоимость составила почти полмиллиона долларов. В нем отсутствовала память, однако в его 20 накопителях могло сохраняться 20 десятизначных чисел. Переключатели также позволяли сохранять значения функций (104 двенадцатизначных числа). Сложение выполнялось за 0,2 миллисекунды, умножение — за 2,8 миллисекунды. При работе ENIAC температура в машинном зале поднималась до 50 °C. Ходили слухи, что во время его работы в Филадельфии, где располагался компьютер, случались кратковременные отключения электричества, так как он потреблял 160 кВт электроэнергии.

* * *

Таким образом обрабатывались все инструкции, последовательно записанные в памяти компьютера, если только среди инструкций не встречалась инструкция условного перехода. Эта архитектура не слишком отличалась от той, что использовали Чарльз Бэббидж и Конрад Цузе. Эта же архитектура используется в современных компьютерах.

После публикации «Первого черновика» фон Нейман занялся поисками финансирования для постройки более мощной вычислительной машины. Этой машиной стал ADIVAC, разработанный в IAS ( Institute for Advanced Study — Институт перспективных исследований) в Принстоне в 1953 году.

* * *

ДЖОН ФОН НЕЙМАН (1903–1957)

Американец венгерского происхождения Джон фон Нейман — одна из ключевых фигур в науке XX столетия. Он был пионером современных цифровых вычислений и совершил открытия во многих областях: квантовой физике, кибернетике, экономике и, разумеется, математике. Фон Неймана называли вундеркиндом; в 1926 году, когда ему было всего 23 года, он получил степень доктора математики, защитив диссертацию по аксиоматике теории множеств. В Европе он занимался исследованиями в области математики и квантовой механики.

Он преимущественно работал в Гёттингене под руководством Давида Гильберта и написал книгу ««Математические основы квантовой механики» на немецком языке. В 1930 году Нейман эмигрировал в США, в возрасте 29 лет занял одну из пяти первых профессорских должностей в принстонском Институте перспективных исследований. Еще одну из этих должностей занимал Альберт Эйнштейн. Фон Нейман считается создателем теории игр и автором понятия MAD ( Mutually Assured Destruction — «Взаимное гарантированное уничтожение»). Он работал над Манхэттенским проектом и созданием водородной бомбы.

* * *

ENIAC как компьютер общего назначения был огромным шагом вперед, однако некоторые технические решения, использованные при его постройке, оставляли желать лучшего. Основная проблема заключалась в том, что для смены программы требовалось изменять конфигурацию электрических цепей вручную. Так как программа не сохранялась в памяти, в отличие от современных компьютеров, то для определения того, какие расчеты и в каком порядке следует произвести, требовалось подключать и отключать переключатели, как на старинных телефонных станциях. Эта задача была очень трудоемкой и требовала столько времени, что выгода от использования компьютера была крайне сомнительной.

С целью решить проблемы ENIAC были начаты работы над новым компьютером — EDVAC. Эккерт, Мокли и фон Нейман очень подробно проанализировали, как должно производиться программирование компьютера, и пришли к выводу, что оптимальным вариантом будет хранение программы в памяти подобно тому, как в ней сохранялись числа. Трудно поверить, что в прошлом компьютерные программы и аппаратное обеспечение не были разделены. Результатом этой идеи стало рождение языков программирования и программирования как отдельной дисциплины.