ENIAC

Jakub Vaněk

projekt PX

Abychom zjistili jaké podněty vedly ke zrodu tohoto obdivuhodného stroje, musíme se vrátit na počátek 2. světové války. Bylo čím dál jasnější, že Spojené Státy se zapojení do války nevyhnou. Americká armáda však nebyla po dvou mírových dekádách vůbec připravena. Jediným vědeckým zařízením, které bylo k dispozici pro experimentování se zbraněmi bylo Aberdeen Proving Ground ve státě Maryland. Jedním z nejdůležitějších úkolů prováděných zde byla příprava dělostřeleckých a bombardovacích tabulek společně s pořizováním vysoce přesných experimentálních dat pro jejich výpočet.

Výpočty zastávala hrstka zaměstnanců vybavená stolními kalkulátory a hlavně Bushovým diferenciálním analyzátorem. Tento stroj trpěl častými poruchami zesilovače kroutivého momentu téměř u konce dlouhého výpočtu. Bylo dobře známo, že Moorova elektrotechnická fakulta Pennsylvánské univerzity vlastnila Bushův analyzátor o poněkud větší kapacitě. Jedním z prvních kroků proto bylo jeho propůjčení armádě. Na základě toho byl Pennsylvánský analyzátor opatřen několika vylepšeními, mezi nimi i elektronickým zesilovačem kroutivého momentu, který nahradil poruchový mechanický.

John Mauchly, profesor na Ursinus College, se zabýval “počitacími stroji” v souvislosti s meteorologií. V létě roku 1941 navštívil Atanasoffa s Berrym, aby se podíval na jejich elektronický stroj. Ten byl postaven za specielním účelem a byl značně zpomalován elektromechanickou pamětí. Mauchlyho vize mnohoúčelového počítače se od tohoto stroje lehce lišila, každopádně mu Atanasoff-Berry naznačil, že elektronický počítač by mohl být řešením.

S novými a komplikovanějšími zbraňovými systémy byl na zakázku armády na Moorově fakultě otevřen válečný kurs inženýrství, vědy a managementu. J. Presper Eckert, popisovaný jako “bezpochyby nejnadanější elektrotechnik na fakultě”, byl pro tento kurs najat jako asistent odpovědný za chod elektrolaboratoře. John Mauchly, který přišel do Pennsylvánie přednášet o nejnovějších elektronických zařízeních byl do kurzu přijat místo profesorů, jež byli povoláni k aktivní službě.

Mauchly často diskutoval s Eckertem o svém zaujetí v hledání cesty jak uplatnit elektroniku pro rychlé výpočty. Eckert považoval jeho nápady za proveditelné. V roce 1942 sepsal Mauchly pětistránkový oběžník nazvaný “Využití elektronkových přístrojů pro výpočty”. Tento oběžník se stal základem pro studii následně odeslanou Moorovou fakultou armádní laboratoři pro balistický výzkum.

Stále větší poptávka po dělostřeleckých tabulkách pro nové zbraně se stala problémem, který bylo třeba řešit. Výpočet jedné balistické křivky zabral na stolním kalkulátoru až 40 hodin a kolem 30 minut na Bushově analyzátoru (ENIAC to nakonec zvládl za 30 vteřin). Bushův analyzátor byl ale na univerzitě jen jeden a jedna tabulka obsahovala na stovky takových křivek.

Po představení podrobnějšího návrhu byl 5. června 1942 mezi univerzitou a armádou uzavřen kontrakt na elektronický numerický integrátor a počítač (electronic numeric integrator and computer - ENIAC) neboli Projekt PX. Mauchly byl jmenován hlavním poradcem a Eckert vrchním inženýrem.


zrod elektronkového mostra

Prvním zásadním problémem k vyřešení bylo nalezení spolehlivého dekadického čítače. Elektronická součástka, která by dokázala uchovat a přičítat číslice od nuly do devíti. Dekadický čítač byl klíčovou součástí většího prvku zvaného střádač. Střádač se měl skládat z deseti čítačů a jejich kontrolních obvodů. Střádač měl tedy umět uchovat a přičítat kladná a záporná čísla od 0 do 1010. Během prvních šesti měsíců byly vyzkoušeny čtyři typy čítačů.

Hlavní překážkou, kterou mnozí považovali za nepřekonatelnou, byla nízká spolehlivost elektronek. 19000 elektronek pracujících rychlostí 100000 pulsů za sekundu představovalo 1.9*109 možných selhání každou sekundu. Eckert a jeho tým testovali různé elektronky, snažili se zjistit kdy a proč selhávají. Ke snížení možných selhání přijali taková preventivní opatření, aby byly použity jen nejlepší kusy elektronek, které pak měly být provozovány na nižších hladinách proudu a napětí než pro jaké byly určeny.

V květnu 1944 byl tým pracující na ENIACu připraven demonstrovat funkčnost tzv. testem dvou střádačů. První z nich měl zvýšit uchované číslo z jeničky na pětku. Potom bylo číslo tisíckrát přeneseno do druhého čítače. To celé za jednu pětinu sekundy s použitím vestavěné elektroniky střádačů. Spousta lidí však stále nevěřila, že by vyvíjený stroj mohl někdy fungovat.

Pro vědce pracující na projektu by bývalo bylo potěšením pokračovat v práci a navrhnout nová sofistikovanější řešení. V zájmu brzkého dokončení ENIACu však bylo nutné návrh zmrazit. Jak se ale blížil konec války, inženýři z Moorovy fakulty uvažovali o sestrojení pokročilejšího víceučelového počítače, který by měl například větší paměť než ENIAC a mohl v ní uchovávat programy.

ENIAC byl dokončen na podzim 1945, což bylo příliš pozdě na to, aby mohl sloužit svému původnímu účelu. Místo toho byl během testovacího provozu nasazen na výpočtech potřebných pro výzkum termonukleární reakce během přísně tajného vývoje vodíkové bomby. Do provozu byl oficiálně uveden 15. února 1946.

ENIAC byl z dnešního pohledu směšně obrovský. Byl umístěn v klimatizované místnosti o rozměrech 9 krát 18 metrů. Vážil 27 tun a veškerá elektronika byla umístěna ve 43 panelech, z nichž každý měl výšku 2,5, šířku 0,9 a hloubku 0,3 metru. Panely byly půdorysně uspořádány ve tvaru pímene U. Tři panely byly opatřeny kolečky a nebyly umístěny ve zmíněném útvaru, takže je bylo možné přesouvat podle potřeby. Skládal se ze zhruba 19000 elektronek, 7200 diod, 1500 relé, 70000 rezistorů, 10000 kondenzátorů a cca pěti milionů ručně pájených spojů. Jeho příkon pak činil úctyhodných 160kW.


pohled dovnitř

Funkcionalita stroje byla rozdělena mezi osm základních komponent: 20 výše zmíněných střádačů, iniciátor, hlavní programátor, násobič, dělič-odmocňovač, brána, buffer a funkční desky. Střádače dokázaly uchovávat, přičítat a odčítat čísla. Iniciátor prováděl několik specielních činností souvisejících se startováním respektive vypínáním ENIACu a spouštěním výpočtu. Hlavní programátor bděl nad prováděním programů. Dělič-odmocňovač a násobič spolupracovaly se střádači a pomocí vhodné posloupnosti operací sčítání a odčítání zajišťovaly operace dělení, odmocňování a násobení. Úkolem brány bylo provádět operaci logického součinu (AND), naopak buffer vykonával logický součet (OR). Funkční desky byly v podstatě ROM paměti o kapacitě 100 krát 10 číslic, které byly nastavovány přepínači.

Vstup a výstup zajišťovala čtečka a děrovačka štítků dodané firmou IBM. Byly připojeny k zařízení, které pracovalo jako rozhraní mezi vysokorychlostní elektronickou částí a pomalou čtečkou resp. děrovačkou.

Jednotlivé části ENIACu byly propojeny dvěma sběrnicemi, datovou a řídící. Řízení výpočtu bylo distribuované nikoli centralizované. Každý střádač obsahoval řídící elektroniku potřebnou ke spolupráci s jiným střádačem na provádění sekvence výpočtů. Programování bylo vykonáváno nastavováním přepínačů na různých součástech a jejich propojování kabely s využitím datové sběrnice pro zasílání dat a řídící pro zasílání řídících signálů.

ENIAC neměl žádnou paměť pro uložení instrukcí ani nemohl načítat program z vnějších pamětí na rozdíl od Zuseho Z3 a Aikenova počítače Harvard Mark I, které dokázaly číst program z děrné pásky. Důvodem bylo to, že takovéto načítání by velmi zpomalovalo jinak plně elektronický stroj. Jediný způsob jak dosáhnout rychlého provádění programu bylo jeho „zadrátování“.

Během vývoje ENIACu přišli inženýři a matematici na to, že po drobných úpravách je možné naprogramovat něco co bychom nazvali podmíněným větvením (IF..THEN..). To bylo možné díky tomu, že signály na obou sběrnicích byly v podstatě totožné a připojením datového kabelu jednoho střádače na řídící kabel jiného střádače se dalo dosáhnout větvení výpočtu na základě obsahu dat.

Základní taktovací frekvence byla 5kHz. To umožňovalo zapsat číslo do čítače, přečíst číslo z čítače, sečíst nebo odečíst dvě čísla 5000 krát za sekundu. Vynásobení desetimístného čísla číslem d-místným zabralo d+4 cyklů (bylo tedy možné provést minimálně 357 násobení za sekundu). Podobně dělení nebo odmocňování šlo provést minimálně 35 krát za sekundu (pokud měl výsledek méně než deset cifer, bylo vše rychlejší).


co s ním?

Během roku 1947 byl ENIAC přestěhován na Aberdeen Proving Ground. Zde zahájil provoz v srpnu 1947.

ENIAC prošel několika vylepšeními. V září roku 1948 byl na návrh Johna von Neumanna implementován primitivní mechanismus čtení programu z funkčních desek. Chod stroje to poněkud zpomalilo, to bylo ale vyváženo úsporou času při přeprogramovávání. V červenci 1953 dostal ENIAC přídavnou paměť z magnetických jader o kapacitě 100 slov, první fungující exemplář svého typu. Aby byla paměť funkční, musel být počítač vybaven několika dalšími součástkami.

S příchodem nových strojů přestával být provoz ENIACu rentabilní díky vysokým provozním nákladům a 2. října 1955 byl definitivně zastaven.



zdroje
http://en.wikipedia.org/wiki/Eniac
http://ftp.arl.mil/~mike/comphist/eniac-story.html
http://www.upenn.edu/almanac/v42/n18/eniac.html
http://www.archives.upenn.edu/faids/upd/eniactrial
http://ei.cs.vt.edu/~history/ENIAC.Richey.HTML
http://www.library.upenn.edu/exhibits/rbm/mauchly/jwm8b.html
http://www4.wittenberg.edu/academics/mathcomp/bjsdir/ENIACSquareRoot.htm
http://www.gecdsb.on.ca/d&g/women/women.htm