IAS-машина ( англ. IAS machine , досл: Машина Института перспективных исследований ) — одна из первых электронных вычислительных машин, построенная в Институте перспективных исследований ( IAS, Institute of Advanced Studies ) в Принстоне, шт. Нью-Джерси, США . Компьютер также иногда называют « машиной Фон Неймана », так как она создавалась под руководством Джона фон Неймана , когда он работал одновременно в Институте перспективных исследований и профессором математики в Принстонском университете . Компьютер строился в период с 1945 по 1951 год.

Общая конструкция компьютера стала носить название « архитектура фон Неймана » (или « принстонская архитектура » в противоположность « гарвардской архитектуре ») и послужила образцом для создания других аналогичных компьютеров в США и во всём мире.

История создания

Идея создания машины обдумывалась фон Нейманом ещё в ноябре 1945 года, когда в Институте Мура только закончились работы над первым электронным компьютером ENIAC и начались работы над следующим компьютером — EDVAC . В связи с окончанием Второй мировой войны обязательства участников проекта перед военным ведомством исчерпывались и после демобилизации каждый из них был волен продолжать свою карьеру на своё усмотрение. Из-за споров с Институтом Мура по авторским правам на изобретения, в марте 1946 года проект покинули Экерт и Мокли , решив создать коммерческое предприятие по производству компьютеров . Фон Нейман решил вернуться в Институт перспективных исследований (IAS), где хотел продолжить работы над новым научным направлением — электронными вычислительными машинами и их применением в науке. В качестве других мест, которые фон Нейман рассматривал летом 1945 года, были Массачусетский технологический институт и Чикагский университет .

Выбор IAS как места для создания компьютера был очень необычным, так как Институт перспективных исследований занимался исключительно теоретической наукой и не имел никаких лабораторий и оборудования для проведения каких-либо экспериментов, не было даже помещения для работы инженеров . Тем не менее проект электронного компьютера (« Electronic Computer Project » так официально назывался проект в Институте) был поддержан ведущими учёными Института, в частности, Освальдом Вебленом и руководителем Института — Фрэнком Айделоттом (Frank Aydelotte) , а также получил финансовую поддержку со стороны компании RCA , которая брала на себя все вопросы обеспечения проекта вакуумными лампами , и армейского (Army Ordnance Department) и морского (Office of Naval Research) ведомств США: фон Нейман убедил военно-морское ведомство, что IAS-машину можно будет использовать для численного прогноза погоды . Фон Нейман предложил создать IAS-машину как опытный образец, на котором будут отрабатываться различные способы вычислений и технологии. По образу и подобию IAS-машины различные учреждения, испытывающие нужду в компьютерах, будут строить свои машины, экономя таким образом свои средства на изыскания .

В марте 1946 года главным инженером проекта был назначен Джулиан Бигелоу (Julian Bigelow). Фон Нейман стал директором проекта. Из Института Мура , покинув проект EDVAC , перешли Герман Голдстайн (заместитель директора проекта), Артур Бёркс (Arthur Burks), Роберт Шоу (Robert Shaw) и Джон Дэвис (John Davis). Фон Нейман предлагал должность главного инженера Экерту, но потом отозвал своё предложение, когда стало ясно, что Экерт планирует заняться бизнесом. В проекте также принимали участие Джеймс Померен (James Pomerene), Ральф Шлуц (Ralph J. Slutz), Виллис Вэйр (Willis H. Ware). На всём протяжении проекта общее число человек в команде не превышало шести . Планировалось проект выполнить за 3 года. Для ускорения работы было принято решение вести все работы над компьютером параллельно, поэтому команда разбилась на четыре группы, которые исследовали разные направления проекта:

1. логическое устройство компьютера (Бёркс, Голдстайн, фон Нейман)
2. техническое устройство (Бигелоу, с 1951 г. — Померен)
3. математические вопросы (Голдстайн и фон Нейман)
4. группа численного прогноза погоды ( Meteorology Project ) ( ).

Разработка теории

В июле 1946 года Бёрксом, Голдстайном и фон Нейманом была написана знаменитая монография под названием « Предварительное рассмотрение логического устройства электронного вычислительного прибора » (англ.: Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument) , которая подробно описала устройство и технические характеристики будущего компьютера, которые позднее стали носить название « архитектура фон Неймана » . Эта работа развивала идеи, изложенные фон Нейманом в мае 1945 года в рукописи под названием « Первый проект отчёта о EDVAC ». В той рукописи, которая не предназначалась для широкой публикации, фон Нейман описывал лишь логическую структуру «идеального» компьютера, в работе же «Предварительное рассмотрение» были описаны все технические подробности. Во второй части монографии под названием « Планирование и кодирование задач для электронного вычислительного прибора » (англ.: Planning and Coding Problems for Electronic Computing Instrument), представленной в трёх частях (часть I — апрель 1947 года, часть II — 15 апреля 1948 года, часть III — 16 августа 1948 года, часть IV так и не увидела свет), были подробно описаны способы программирования будущего компьютера. Эта фундаментальная монография официально была передана её авторами в общественное достояние, и её копия хранится с аффидевитом Бёркса, Голдстайна и фон Неймана в Патентном ведомстве США и в Библиотеке Конгресса США . Голдстайн и фон Нейман, будучи учёными, рассматривали свою работу над компьютером как научное изыскание и пренебрегали коммерческими выгодами от открытий и изобретений, сделанных в процессе его создания.

Создание компьютера

Главной инженерной проблемой при создании компьютера оказалась проблема с оперативной памятью. Было решено не использовать ртутные линии задержки, как это было сделано в конкурирующем проекте EDVAC. Для требуемой высокой скорости работы IAS-машины (2000-4000 умножений в секунду) память должна была быть с произвольным доступом. Ртутные же линии задержки делали память последовательной и медленной. Первоначально предполагалось воспользоваться предложением компании RCA, которая обещала обеспечить проект статической ламповой памятью под названием Selectron. Но у RCA возникли проблемы с отработкой этой технологии, и к обещанному сроку Selectron-ы так и не поступили. Летом 1948 инженеры IAS-машины решили использовать для оперативной памяти трубки Вильямса и успешно это сделали к январю 1950 года .

Официальный торжественный запуск IAS-машины был произведён 10 июня 1952 года, но машина была доступна для проведения вычислений с весны 1951 года. Первую свою большую задачу машина решила летом 1951 года для Лос-Аламосской национальной лаборатории . Весь 1952 год компьютер работал в две-три смены до середины 1953 года. В декабре 1953 года его разобрали и перевезли в другое более просторное и хорошо охлаждаемое помещение. В 1954 году к компьютеру добавили графический дисплей с 7-дюймовую ЭЛТ 512х512 точек, в 1955 — новый более объёмный магнитный барабан ERA Model 1107.

Численный прогноз погоды

Группа учёных, занимавшаяся направлением прогноза погоды, была готова к расчётам уже в конце лета 1949 года. Однако к тому времени IAS-машина ещё не была готова. Чтобы не тратить время зря в ожидании окончания работ над IAS-машиной, и учитывая важность направления прогноза погоды для стратегических нужд страны, фон Нейман предложил на первых порах воспользоваться ЭНИАКом . Подготовка программы к расчёту заняла целых 5 недель, а сам расчёт прогноза погоды на следующие 24 часа на ЭНИАКе занял 24 часа. Выполнение программы по той же модели и с теми же данными на IAS-машине 30 июня 1953 года заняло 6 минут, то есть в 240 раз быстрее .

Создание производных компьютеров

В начале 1950-х годов с вступлением СССР в ядерную гонку резко возросла потребность правительства США в вычислительных машинах. Не дожидаясь завершения IAS-машины, были построены по её образцу машины MANIAC в Лос-Аламосской национальной лаборатории и AVIDAC — в Аргоннской национальной лаборатории . Благодаря накопленному опыту при создании IAS-машины, создателям MANIAC и AVIDAC удалось избежать множества ошибок и тупиковых решений и запустить свои компьютеры на несколько месяцев быстрее своего прародителя. Сама же IAS-машина тоже стала рассматриваться как инструмент для проведения срочных вычислений по оборонной тематике, несмотря на то, что она строилась как экспериментальный прототип.

Описание

• Элементная основа: вакуумные лампы, 2300 шт. 5 типов и 5 диодов.
• Синхронизация: машина была асинхронной: в ней отсутствовал тактовый генератор, синхронизировавший работу всех узлов, следующая команда выполнялась после того, как была выполнена предыдущая.
• Разрядность: двоичная.
• Размер слова: 40 бит.
• Формат команды: одноадресный.
• Размер команды: 20 бит, 2 команды на 40-битное слово для ускорения выборки команд, предвестник «look-ahead» .
• Количество команд: 67, использовалось только 44.
• Представление чисел: Отрицательные числа представлялись как дополнительный код . Вещественные числа представлялись числами с фиксированной запятой , чтобы упростить конструкцию машины и её программирование .
• Запоминающее устройство: трубки Вильямса . Всего использовалось 40 трубок Вильямса.
• Размер памяти: 1024 слова (5,1 кБ). Память была с произвольным доступом и параллельной, то есть каждый бит числа хранился в отдельной трубке Вильямса и сложение битов могло производиться одновременно . Время доступа к памяти: 25 микросекунд.
• Постоянная память: магнитный барабан — 2.048 слов, время доступа — 140.000 микросекунд (собственная разработка в мае-июне 1953 г.) и позднее 12.288 слов, время доступа — 17.000 микросекунд (в 1955 — магнитный барабан от компании Engineering Research Associates ) .
• Устройства ввода-вывода: модифицированный телетайп , позднее — считыватель перфокарт IBM.
• Скорости: сложение — 62 микросекунды, умножение — 620—713 микросекунд, деление — 920 микросекунд.
• Энергопотребление: 28 кВт.
• Вес: 1000 фунтов + 15 тонн охлаждающая система.
• Обслуживание: 1 инженер + 1 оператор при 8-часовой смене, 1 инженер + 2 оператора при двух 8-часовых сменах.
• Надёжность: среднее время работы до отказа — 4-8 часов. 70 % надёжности с начала 1952 года до начала 1955 года. 80 % — с начала 1955 года .

Машина имела «новинку» в виде регистров общего назначения: регистр AC — аккумулятор, и регистр MQ — множитель/делитель.

Дальнейшая судьба

Компьютер пережил своего создателя всего на год. После смерти фон Неймана в 1957 году, IAS-машина проработала в Институте до 15 июля 1958, после чего было решено, что компьютер выполнил свою задачу, и проект « Electronic Computer Project » был закрыт .

В течение нескольких дней он был разобран и перевезён в Национальный музей Американской истории Смитсоновского института в г. Вашингтоне , где хранится по сей день в качестве неработающего экспоната. Институт перспективных исследований больше компьютерами никогда не занимался, а помещение, отведённое под IAS-машину, было переделано в детский сад.

Производные IAS-машины

IAS-машина строилась в первую очередь как экспериментальная, на которой отрабатывались различные технологии и идеи, проводились исследования и испытания. Предполагалось, что IAS-машина послужит готовым образцом, по которому (с различными вариациями) будут быстро создаваться другие машины для различных заинтересованных организаций. Все компьютеры, созданные по подобию IAS-машины, относились к « семейству IAS-машин », так как строились по « архитектуре фон Неймана », хотя и не были совместимы друг с другом на уровне программного обеспечения .

Вот краткий список таких машин:

• MANIAC I ( Лос-Аламосская национальная лаборатория ) (март 1952 г.)
• ORDVAC ( Абердинский испытательный полигон ) (10 марта 1952 г.)
• IBM 701 (19 машин) (29 апреля 1952 г.)
• БЭСМ (Москва) (осень 1952 г.)
• ILLIAC I ( Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне ) (1 сентября 1952 г.)
• AVIDAC ( Аргоннская национальная лаборатория ) (28 января 1953 г.)
• ORACLE ( Национальная лаборатория Оук-Ридж ) (конец 1953 г.)
• ( RAND ) (март 1954)
• ( Стокгольм , Швеция ) (1 апреля 1954 г.)
• WEIZAC ( Институт Вейцмана ) (конец 1955 г.)
• SILLIAC ( Сиднейский университет ) (4 июля 1956 г.)
• ( Лундский университет ) (август 1956)
• ( SAAB ) (1956 г.)
• MUSASINO-1 ( Токио , Япония ) — производный от ILLIAC I (июль 1957 г.)
• ( Университет штата Мичиган ) (осень 1957 г.)
• GEORGE ( Аргоннская национальная лаборатория ) (1957 г.)
• (Regnecentralen, Copenhagen) (1958 г.)
• ( Университет штата Айова ) (июль 1959 г.)

Литература

• — репринт « Предварительного отчёта по EDVAC » (май-июнь 1945 г.) — работы Фон Неймана, в которой он описывал логическую структуру «идеального компьютера».

• Burks A. W., Goldstine H. H., Neumann J. — репринт монографии «Предварительное рассмотрение логического устройства электронного вычислительного прибора» (июль 1946 г.) на сайте Принстонского Университета. от 21 мая 2013 на Wayback Machine на сайте Института перспективных исследований.

• от 21 мая 2013 на Wayback Machine — отчёт за апрель 1954 года о ходе работ над IAS-машиной.

• Herman H. Goldstine. . — Princeton University Press, 1980. — 365 p. — ISBN 9780691023670 . (англ.)

• William Aspray. . — MIT Press, 1990. — 394 p. — ISBN 0262011212 . (англ.)

Примечания

Ссылки

• — интервью с , , , , и другими. Институт Чарльза Бэббиджа , Миннесотский Университет.
• Ware, Willis H. (англ.) . — RAND, 1953. — воспоминания Виллиса Вэйра о постройке IAS-машины, записанные во время его выступления в январе 1953 года на конференции в Сан-Франциско
• на сайте bitsavers.org (рус.)