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日志

 
 

【Copy】ENIAC的诞生  

2009-01-05 14:19:14|  分类: C-General |  标签: |举报 |字号 订阅

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from:http://202.207.0.245:9001/jisuanjifazhanshi/jisuanjifanzhan/011.htm

    第一个真正贯彻到底而获得成功的通用电子计算机方案最初为美国科学家莫克利提出。回顾这一方案付诸实现的过程是很有启发性的。

    二十世纪科学技术的飞速发展,带来了堆积如山的数据处理问题,对改进计算工具提出了迫切要求。然而,军事上的紧迫压力显然是强有力的刺激因素。

    第二次世界大战中,美国宾夕法尼亚大学莫尔学院电工系同阿伯丁弹道研究实验室共同负责为陆军每天提供六张火力表。这项任务非常困难和紧迫。因为,每张表都 要计算几百条弹道,而一个熟练的计算员用台式计算机计算一条飞行时间60秒的弹道要花20小时,用大型的微分分析仪也需15分钟。从战争一开始,阿伯丁实 验室就不断地对布什的微分分析仪作技术上的改进,同时聘用了二百多名计算员,即使这样,一张火力表也往往要算两、三个月,问题相当严重。当时,负责阿伯丁 实验室同莫尔电工系小组联系的军方代表是年轻的戈尔斯坦(Goldstine) 中尉,他原来是个数学家。他的朋友莫克利这时正好在莫尔学院电工系任职。莫克利在访问阿塔纳索夫一年后,1942年8月写了一份题为《高速电子管计算装置 的使用》的备忘录,它实际上成为第一台电子计算机ENIAC的初始方案。这一备忘录曾在莫克利的一些同事中传阅,特别是引起了23岁的研究生埃克特的浓厚 兴趣。埃克特后来成为第一台电子计算机的主要工程师。莫克利也多次对格尔斯坦讲自己关于电子计算机的设想。思想敏捷的戈尔斯坦立即意识到这一设想对解决制 造火力表的困难的巨大价值。他马上向上司吉伦(E.N.Gillon)上校作了汇报,立即得到吉伦上校的热情支持。在吉伦上校的参与下,军械部要求莫尔学 院草拟一个为阿伯丁弹道实验室制造一台电子数字计算机的发展计划。1943年4月2日莫尔学院负责与阿伯丁联系的勃雷纳德(J.G.Brainerd)教 授提出了一份这样的报告。

    事情进展极为迅速。报告提出一周后,也就是1943年4月9日,这一天是决定第一台电子计算机命运的一天,勃雷纳德由莫克利和埃克特陪同,前往阿伯丁出 席一次会议,弹道实验室方面参加会议的有该实验室负责人西蒙(L.E.Simon)上校和他们的主要科学顾问、著名数学家维伯伦(O.Veblen)博 士。维伯伦的意见是举足轻重的,在听取了戈尔斯坦的简短说明后,维伯伦支起坐椅后腿沉思片刻,接着“砰”一声放下椅子站起来说道:“西蒙,给戈尔斯坦这笔 经费!”他随即离开了会议室。这次戏剧性会议,带来了历史性的效果,制造第一台电子计算机的工作开始了。6月5日莫尔学院和军械部正式签定合同。在工作开 始以前举行的最后一次会议上,这台机器根据吉伦上校的建议被命名为“电子数值积分和计算机”(Rlectronic Numerical Integrator and Computer,简称ENIAC)。

    然而,这一方案在当时也遇到了貌似有理的反对意见。根据美国国防研究委员会(NDRC)保存的档案可以看出:对于电子数字计算机的方案,当时存在着一种怀疑的气氛。下面是从1943年秋天NDRC收到的备忘录中摘录的片断:

   “……我的意见是说,还没有充分的和合适的技术允许我们立即制造一台设计良好的计算机。……电子设备在能够有把握的应用于计算目的之前,还需要大大改进其可靠性”。

    “……我认为没有理由设想继电器装置RDAFB的范围不如ENIAC宽广,……最理想的计算机可能是继电器与电子管的混合装置,但我非常相信:制造电子计算机的时间将是继电器计算机的四到六倍。”

    这些意见相当典型地反映了在这个历史关头工程和应用数学界为数不少的专家们的观点。莫尔学院提出的方案需要采用大约18000只电子管,70000只电 阻,10000只电容,预算经费是15万美元。这些庞大的经费也是引起怀疑的一个原因。在这样的情况下,ENIAC计划确实是冒着巨大的风险。勃雷纳德教 授当时写道:“这是一个发展计划,并且不能担保会达到预定的效果。然而,这是一个合适的时机!”

    承担研制ENIAC的莫尔小组是一个由志同道合的青年科技工作者组成的朝气蓬勃的团体。24岁的埃克特是总工程师,负责解决制造中一系列困难复杂的工程技 术问题。莫克利是三十多岁的物理学家,他提出了电子计算机的总设想。年轻的戈尔斯坦中尉不仅能在数学上提供有益的建议,而且是精干的科研组织人才。另外还 有年轻的逻辑学家勃克斯(W.Burks)参加。这样,有了合适的时机和成熟的条件,又有科学技术人员的科学胆略与创造才能,在有关部门的远见卓识与全力 支持下。1945年底,这台标志人类计算工具历史性变革的巨型机器宣告峻工。正式的揭幕典礼于1946年2月15日举行。这台机器1947年被运往阿伯 丁,起初是专门用于弹道计算,后来经过多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机。

    ENIAC的诞生表明,作出那些影响人类命运的重大科学技术决定的重担,不仅仅是压在科学家和工程师的肩头,政治家和他们的科学顾问有时是起关键作用的。 拿破仑没有采用制造蒸气动力轮船的建议,而使法国的海军落后了几十年。罗斯福总统采纳了爱因斯坦等科学家的建议,美国首先造出了原子弹。以电子计算机的试 制而论,美国陆军军械部对ENIAC方案的态度同德国政府对许莱尔—朱斯方案的态度形成鲜明的对照。可以想像,如果没有维伯伦博士的远见和当机立断,没有 军方的全力支持,ENIAC的诞生很可能会再推迟若干年!

    ENIAC制成了!看上去,它是一个庞然大物:占地面积达170平方米,差不多相当于10间普通房间的大小。它的耗电量也很惊人,功率为150千瓦。工作 时,常常因为电子管烧坏而不得不停机检修。尽管如此,在人类计算工具发展史上,它仍然是一座不朽的里程碑。自它以后,人类在智力解放的道路上开始突飞猛 进。

    ENIAC的最大特点就是采用了电子线路来执行算术运算、逻辑运算和储存信息。ENIAC的电子线路有三种:用作电子开关的符合线路;用来汇集从各个来源 钓脉冲的集合线路;用以计算和存储的触发器线路。为了执行加减运算和存储数据,采用了20个加法器,每个加法器由十组环形计数器组成,可以保存一个字长 10位的十进制数(机器采用十进制)。为了执行其他的运算,ENIAC还采用了乘法器以及除法和开方装置。

    由于广泛采用了电子线路,ENIAC同以往计算机相比最突出的优点就是高速度。它比已有的计算机快1000倍(表2),这就使它能够胜任相当广泛的现代科学计算。

    由于有20个累加器,ENIAC又具有另一个重要的优点,即能同时执行几个加法或减法。在这一点上,ENIAC与Model—v同是六十年代出现的并行计算机的前身。

                     表2 ENIAC速度比较表

 

   计算机

 

   制成年代

    运算速度(单位毫秒)

    加法

    乘法

MARK-1

    1944

    300

    5700

    MARK-11

    1947

    200

    700

    Mdel-V

    1947

    300

    LOO0

ENIAC

    1945

    0.2

    0.8

 

ENIAC(图1)在计算机发展史上的重要性是毋容置疑的。它是世界上第一台真正能运转的大型电子计算机。ENIAC的成功,开辟了提高计算速度的极为广 阔的可能性,从此,计算机对人类社会所起的作用,与在第一次工业革命中扮演主角的蒸汽机相比,是有过之而无不及的。

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    但是,就连ENIAC的研制者也感到,虽然,ENIAC是第一台正式运转的通用电子计算机,但它的基本结构和机电式计算机没有本质的差别。ENIAC显示 了电子元件在进行初等运算速度上的优越性,却没有最大限度地实现由于采用电子技术所提供的巨大潜力。初生的电子计算机急需人们用千百年经验所积聚起来的智 力赋予更合理的结构,从而获得更强的生命力。ENIAC存在着一些缺陷,主要是:第一,它的存储容量太小,至多只能存20个字长10位的十进制数;第二, 它与后来的”存储程序”型的计算机不同,它的程序是“外插型”的,即用线路连接的方式来实现的,很不便于使用,仅为了进行几分钟或上小时的数字计算,准备 工作就要用去几小时甚至1--2天的时间。这种情况正如慢牛配快马,极不相配。设计小组曾试图改进ENIAC的弱点。他们试验用增加存储器的办法克服第一 个缺点。这条路子前途有限。ENIAC存储器存储一个字长10位的十进制数需用一个10位环形计数器,而该类计数器使用的电子管数达600支之多。至于如 何改变繁琐的转接线程序设计法,莫尔学院的设计者倒有很好的想法:数字机的命令能够用数字的形式存在纸带上。他们的这个想法得益于史梯别兹。史梯别兹的控 制纸带实际就是拜比吉控制卡的延长。据戈尔斯坦说,当时的那个想法并没有具体化。由于缺乏关于电子计算机最合理结构的全面分析与理论,实现重大突破的希望 很渺茫。为了解决弹道计算的急需,必须另找一种新的途径。在1944年,美国陆军要求莫尔学院在建造ENIAC的同时,立即设计更强有力的计算机。

    1944年8月,建造大型存储器的努力有了突破性的进展:艾克特提出用延迟线回路作电子计算机存储器的设计方案。当时,雷达系统已使用延迟线存储脉冲信号进行方位测试。艾克特创造性地实现了这项技术移植,使它在计算机的发展中起了历史性作用。

    延迟线是一种声电转换装置。电信号经输入压电晶体转换成超声波,超声波通过水银柱达到输出压电晶体后又转化为电信号;当延迟线形成回路,就成为良好的大容 量存储器。因为超声波在水银柱内传播速度是每秒1450米,也即1.45米长的水银柱可以保存超声信号1毫秒之久。可以用例子来说明一下它的存储量:如果 用0.5微秒宽的脉冲表示数字“1”,而数“0”用0.5微秒无脉冲表示,那么1.45米长的水银柱可存储1000个二进制数码。和ENIAC比较,用同 等数量的电子管,存储器能力提高100倍。为了输入输出信号,艾克特设计了一种叫“门”的真空管回路,可以中断重复循环的信号,以便读出存储信号或输入新 信号。延迟线存储器的设计第一次打开了大量存储信息的大门,对实际形成存储程序概念起了促进作用。

    至此,研制一种高效率电子计算机的技术条件已经基本齐备,通向计算机发展康庄大道的大门就在面前,冯·诺依曼在关键时刻出场了,他幸运地担当了打开这座大门的领头人。

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