Miesiąc: wrzesień 2017

Nie tylko w Stanach Zjednoczonych i Niemczech powstawały pierwsze komputery. Swój wkład w rozwój elektronicznych maszyn liczących wniosła także Wielka Brytania i jej naukowcy. W czasie II Wojny Światowej w Bletchley Park pod Londynem mieściła się  Rządowa Centrala Łączności- siedziba kryptologów brytyjskiego wywiadu, którzy pracowali nad rozszyfrowywaniem kodów hitlerowskich maszyn szyfrujących: Enigmy, maszyny Lorenza i innych. Pod koniec wojny pracowało tak 10 tys. osób. Wśród nich byli: inżynier Tommy Flowers i matematyk Max Newman, którzy skonstruowali i w 1943 roku uruchomili maszynę liczącą Colossus Mark I. Konstruując maszynę oparli się na pracach, wspomnianego przez ze mnie, Alana Turinga, twórcy maszyny Turinga – abstrakcyjnego modelu komputera. Turing był też doświadczonym kryptologiem, twórcą bomby Turinga czyli maszyny elektryczno-mechanicznej, która potrafiła łamać skomplikowane kody Enigma. Turing stworzył swoje bomby wzorując się na polskich bombach kryptologicznych, których twórcą czy raczej wynalazcą był Marian Rejewski. O nim za chwilę.

Colossus Mark I (foto. Wikipedia)

Colossus Mark I był cyfrowym komputerem elektronicznym, zbudowanym z 1500 lamp elektronowych, odczytywał dane z taśm perforowanych. Potrafił odczytać 5 tys. znaków na sekundę, co było możliwe dzięki zastosowaniu w czytnikach  specjalnych fotokomórek, które skonstruowano do zapalników zbliżeniowych w brytyjskich  pociskach przeciwlotniczych. Moc obliczeniowa Colossusa  była większa niż zbudowanego 2 lata później amerykańskiego komputera ENIAC, lecz Colossus w przeciwieństwie do ENIAC czy Harvard Mark I (o których pisałem w poprzednich tekstach) nie był komputerem uniwersalnym – nie spełniał wszystkich cech maszyny Turinga, dlatego nie możemy zaliczyć go w poczet pierwszych komputerów w historii. Możemy za to przyjąć, że był pierwszym lampowym komputerem kryptologicznym. Wykonano 10 takich maszyn do zakończenia wojny. Były one używane do łamania szyfrów Enigmy oraz maszyny Lorenza. Maszyna Lorenza były bardziej skomplikowanymi urządzeniem niż Enigmy, ich przeznaczeniem było szyfrowanie korespondencji samego Hitlera z  najwyższym dowództwem wojsk hitlerowskich i były znacznie trudniejszy do deszyfrowania niż kody Enigmy. Colossusy rozszyfrowały ponad 63 miliony znaków z depesz dowództwa III Rzeszy Niemieckiej.

Polska kopia Enigmy- Lacida (foto. Wikipedia)

Wróćmy do Rejewskiego. W 1930 otwarto w Poznaniu filię Biura Szyfrów Sztabu Głównego Wojska Polskiego. Biuro zorganizowało szkolenie kryptologiczne dla najzdolniejszych studentów matematyki Uniwersytetu Poznańskiego. Ośmiu z nich, w tym: Mariana Rejewskiego, Jerzego Różyckiego i Henryka Zygalskiego po kursie zatrudniono w Biurze, a od 1932 r. zaczęli pracę nad złamaniem kodów Enigmy. Nad odszyfrowaniem kodów Enigmy od lat 20. XX w. pracowały, poza Polakami, również wywiady angielski i francuski, jednak nasi alianci uważali, że algorytmy szyfrujące Enigmy są  tak skomplikowane, że nie da się ich złamać. Dlatego, kiedy  francuski wywiad zdobył plany jednej z niemieckich maszyn, zostały one przekazane polskiemu wojsku jako materiały nieprzydatne. Dzięki tym planom Rejewskiemu udało się po raz pierwszy w 1932 roku złamać szyfr Enigmy i przeczytać pierwszą zaszyfrowaną depeszę. Rok później Wytwórnia Radiofoniczna AVA z Warszawy wyprodukowała, wg projektu polskich inżynierów, kopię hitlerowskiej maszyny, którą nazywano Lacida lub LCD  (od nazwisk twórców), co pozwoliło naszym kryptologom na szybsze odczytywanie niemieckich korespondencji. Było to urządzenie składające się z przerobionej maszyny do pisania, skrzyni z elektromagnesami i przełącznikami oraz skrzyni szyfrującej. Jednak hitlerowcy stale doskonalili swoje maszyny i aby nadążyć za zmianami nasi matematycy-kryptolodzy również musieli zmieniać metody odkodowywania.

Rekonstrukcja cyklometru Rejewskiego (foto. Wikipedia)

Rejewski wymyślił i zaprojektował mechaniczne urządzenie liczące cykliczne permutacje szyfrogramów Enigmy, nazwane cyklometrem. Pozwoliło ono na odkodowanie niemieckich depesz w 15 minut. Po zmianach w Enigmie w 1937 roku cyklometr stał się mało przydatny. W odpowiedzi na to w 1938 r. Rejewski zaprojektował urządzenie elektryczno-mechaniczne w oparciu o nowatorsko opracowaną teorię cykli. Urządzenie nazwano bombą kryptologiczną, choć nie miało ono nic wspólnego z bombą, raczej bliżej mu był do maszyny liczącej, czy nawet do pierwszych komputerów. Bomba Rejewskiego, bo tak ją nazywamy w odróżnieniu od późniejszej bomby Turinga, składała się z 6 sprzężonych maszyn LCD, czyli kopii Enigmy, napędzanych silnikiem elektrycznym. Zbudowano 6 takich bomb, co pozwalało zastąpić pracę 100 ludzi. Bomba służyła tylko do odkodowania kluczy dziennych. Same depesze rozszyfrowywano za pomocą płacht Zygalskiego, czyli specjalnie zaprogramowanych arkuszy perforowanego papieru. Po kolejnym usprawnieniu Enigmy w 1939 r. konieczna była budowa 54 kolejnych bomb, a na to już polski wywiad nie miał funduszy. Zbliżała się II Wojna Światowa, o czym dzięki naszym kryptologom wywiad wiedział, dlatego przekazano po jednej maszynie Lacida wywiadowi francuskiemu i angielskiemu. Ta druga maszyna trafiła do Alana Turinga. Ten dzięki temu stworzył swoje bomby, udoskonalając pracę Rejewskiego. Potem pomógł skonstruować Colossusa. Jak się szacuje praca polskich i angielskich kryptologów i wykorzystanie do tego maszyn liczących pozwoliło na skrócenie II Wojny Światowej o około 3 lata.

Daleki jestem od twierdzenia że to nasi naukowcy są współtwórcami brytyjskiego komputera, ale gdyby nie ich praca Colossus powstałby znacznie później, a może wcale by nie powstał?

Należy pamiętać, że to nie Anglicy, ani Amerykanie pierwsi złamali kody Enigmy, jak to pokazano w kilku zachodnich filmach fabularnych, tylko Polacy: Rejewski, Różycki i Zygalski.

Trójka polskich matematyków ma też swój mały, ale niezaprzeczalny udział w powstawaniu pierwszego brytyjskiego komputera.

G. Shamot

Pisałem o ENIAC i EDVAC, komputerach stworzonych w czasie II WŚ na uniwersytetach w Pensylwanii i Princeton. Innym ośrodkiem, gdzie pracowano nad maszynami obliczeniowymi był słynny Harvard. W 1944 roku uruchomiono komputer Harvard Mark I czyli Kalkulator Sterowany Sekwencją Automatyczną IBM (IBM ASCC), który jest również zaliczany do grupy „pierwszych komputerów w historii”. Został zaprojektowany już w 1937 r. przez Howarda Aikena, a w 1939r. rozpoczęto nad nim pracę w firmie IBM, która wyłożyła pieniądze na tę maszynę – oficjalnie 50 tys. dolarów. Nad komputerem pracował zespół naukowców z IBM min. C.D. Lake, F.E. Hamilton i B.M. Durfeepod, ale to Aiken w komunikacie prasowym 1944 r. przypisał sobie tytuł jedynego wynalazcy i prawa do Mark I. Od tej pory ich drogi się rozeszły, Aiken budował nowe maszyny Mark z numerami: II, III i IV, a inżynierowie z IBM wybudowali komputer IBM SSEC.

Tu ciekawostka – IBM, znana wszystkim amerykańska firma, kojarzona z pierwszymi mikrokomputerami PC, przed rozpoczęciem II Wojny Światowej pracowała nie tylko na rzecz Stanów Zjednoczonych, ale także dla rządu III Rzeszy Niemieckiej czyli hitlerowców. No cóż, jak mówi stare porzekadło: pecunia non olet (pieniądze nie śmierdzą).

Harvard Mark I  (foto. Wikipedia)

Prace nad ASCC  wykonywano w laboratoriach IBM, ale stanął w Laboratorium Komputerowym Harvard, stąd też pełna jego nazwa Harvard Mark I. Tam pieczę  nad nim przejęli naukowcy uniwersyteccy i nasz „stary znajomy” John von Neumann, pracujący dla rządu USA. Początkowo miał to być super kalkulator do obliczania funkcji algebraicznych, różniczkowych, całkowania czy obliczeń statystycznych, ale wojna spowodowała, że został wykorzystany na potrzeby wojska do sporządzania tablic artyleryjskich, rozwiązywania problemów transportu i zaopatrzenia, a jak pojawia się von Neumann to wiadomo, że i Projekt Manhattan, czyli praca nad energią atomową.

Mark I zbudowany został z 765 tys. części elektromechanicznych, 800 kilometrów przewodów z 3 milionami połączeń oraz 3,5 tysięcy przekaźników wieloprocesorowych. Maszyna miała 16 m długości i 2,5 m wysokości, ważyła ponad 4,5 tony. Był to największy kalkulator elektromechaniczny.

Mark I – jeden z czytników kart perforowanych (foto. Wikipedia)

Howard Aiken projektując Marka był zainspirowany pracami Charlesa Babagge’a, o którym wspominałem w pierwszych tekstach. Mark I był urzeczywistnieniem teoretycznej pracy Babagge’a. Miał 60 zestawów 24 przełączników do ręcznego wprowadzania danych,  z których każdy przechowywał 72 rejestry z 23 cyframi.  Instrukcje czytał z papierowych taśm perforowanych. Po raz pierwszy w maszynie liczącej następuje oddzielenie pamięci danych od pamięci programu. Taką architekturę komputera nazwano Harvardzką, w odróżnieniu od architektury von Neumanna, w której dane i program miały wspólną pamięć. Architektura Harvarda jest stosowana powszechnie do dzisiaj w mikrokomputerach jednoukładowych np. w sprzęcie AGD, RTV czy peryferiach komputerowych, jak myszki i klawiatury.

ASCC został wykorzystany do ogromnej ilości obliczeń potrzebnych do wyliczenia implozji pierwszej bomby atomowej, wysadzonej na poligonie wojskowym o nazwie Trinity. Potem do obliczeń  drugiej  bomby atomowej w historii, użytej przeciw ludności, a zrzuconej na miasto Nagasaki 9 września 1945 r. Była to bomba implozyjna, plutonowa Fat Man, pochłonęła ponad 40 tys. istnień ludzkich. Dla przypomnienia pierwszą bombą w historii zrzuconą na ludzi była bomba uranowa o niewinnej nazwie Little Boy, która została zrzucona na Hiroszimę 6 sierpnia 1945 r. niszcząc całe miasto i zabijając ponad 165 tys. ludzi od razu, a tysiące zmarło później na skutek ran i choroby popromiennej.

Po raz pierwszy nie będzie nic o Polakach, może i lepiej zważywszy na efekty wykorzystania Mark I. Za to coś o kobietach. Do tej pory pisałem tylko o mężczyznach – naukowcach, inżynierach, wynalazcach, a przecież kobiety też pracowały przy tworzeniu pierwszych komputerów.

Grace Hopper  (foto. Wikipedia)

Przy programowaniu komputera Mark I pracowała miedzy innymi najsłynniejsza z pionierek informatyki, doktor matematyki, programistka, która dosłużyła się w marynarce wojennej stopnia kontradmirała – Grace Hopper. Przypisuje się jej pierwsze użycie słowa „bug” (robak, pluskwa) na określenie błędu w kodzie programu komputerowego, chociaż na pewno wcześniej używał tego określenia Thomas Edison. Ale to za jej czasów rozpowszechniło się to słowo, oraz termin „debugowanie” czyli usuwanie błędów w programie. Przeszła do historii, przed wszystkim,  jako matematyczka-programistka, która wraz ze swoim zespołem pomagała von Neumanowi przy pracach nad bombą atomową, wynalazła kompilator A-0 przekładający mowę ludzka na kod maszyny,  a także twórczyni  języków programowania w tym języka COBOL, używanego do dzisiaj w projektowaniu systemów dla bankowości, ubezpieczeń czy wojska.

G.Shamot

Jak obiecałem dziś napiszę więcej o Johnie von Neumannie. Urodził się na Węgrzech w 1903 r. jako Neumann Janos Lajos. Już jako 6. letnie dziecko wykazywał niecodzienne zdolności matematyczne np. potrafił w pamięci dzielić ośmiocyfrowe liczby, do tego miał fotograficzną pamięć, a wieku 17 lat opublikował pierwszy artykuł matematyczny. Kształcił się na uczelniach węgierskich, szwajcarskich i niemieckich, uzyskał doktorat z matematyki mając 23 lata, a rok później habilitował się. W latach 30. XX w. zaczął wykładać matematykę na Uniwersytecie Princeton, a później otrzymał profesurę w nowo powstałym w Princeton Institute for Advanced Studies (IAS), obecnie jednej z najbardziej prestiżowych ośrodków naukowo-badawczych na świecie, również dzięki jego dokonaniom. W 1937 r. otrzymał obywatelstwo USA i zaczął pracować dla rządu Stanów Zjednoczonych. O znaczeniu Neumanna dla nauki i obronności Stanów Zjednoczonych świadczy fakt, że od 1937 r. przez 20 lat, prawie do śmierci, był konsultantem wielu komisji rządowych, współpracował w projektach badawczych cywilnych i wojskowych z naukowcami rządowymi, uniwersyteckimi i z prywatnych laboratoriów badawczych.

John von Neumann (foto. Wikipedia)

Neumann wniósł znaczący wkład do szeregu dziedzin matematyki m.in. teorii mnogości, logiki matematycznej, analizy matematycznej, geometrii. Zajmował się także mechaniką kwantową, hydrodynamiką, statystyką, balistyką, brał udział w pracach nad bronią atomową i wodorową. Pracował nad sondami kosmicznymi, opracował komputer meteorologiczny, który wykorzystano do stworzenia pierwszych cyfrowych prognoz pogody.  Był też twórcą teorii gier i jednym z najważniejszych pionierów współczesnej informatyki. Pionierów tych prasa nazywała ojcami komputera.

Od 1943 r. bierze udział w ściśle tajnym projekcie rządu USA nazwanym projekt Manhattan, który miał na celu wykorzystanie energii jądrowej do napędu okrętów wojennych. Jednak jego ostatecznym wynikiem było wybudowanie reaktora atomowego i stworzenie pierwszej bomby atomowej, zwanej także bombą jądrową. W tym samym roku rozpoczyna się praca nad komputerem ENIAC, gdzie Neumann zostaje doradcą projektu, a od 1944 pracuje nad komputerem EDVAC, którego był jednym z twórców. Zapewne oba komputery były wykorzystywane w projekcie Manhattan.

Architektura von Neumanna (foto. Wikipedia)

W 1945 r. opublikował tekst: First Draft of a Report on the EDVAC. W tej pracy po raz pierwszy określił jak powinna wyglądać architektura komputera. Neumann swoje prace nad architekturą komputerów poprzedził studiami z zakresu neurologii i psychiatrii, co utrwaliło go w przekonaniu, że maszyny liczące mogą działać jak ludzki mózg. Właśnie działanie mózgu człowieka częściowo wykorzystał opracowując schemat architektury nazwanej architekturą Neumanna. Według tej koncepcji komputer składał się z 3 części:

1. pamięci, w której przechowywane są dane i instrukcja programu,

2. procesora, w skład, którego wchodzi:

a/ jednostka sterująca odpowiedzialna za pobieranie danych i instrukcji z pamięci i ich przetwarzanie
b/ jednostka arytmetyczno-logiczna wykonująca obliczenia

3. urządzeń wejścia-wyjścia do interakcji z operatorem

Architektura ta, w porównaniu do architektury współczesnego komputera, różniła sie tylko tym, że nie miała wydzielonej pamięci osobnej dla danych, a osobnej dla instrukcji. Do dziś wszystkie komputery klasy PC bazują na tym wynalazku, stąd noszą nazwę maszyny Neumanna.

Znaczek pocztowy z podobizną von Neumanna (foto. Wikipedia)

Neumann był również twórcą pierwowzoru komputerów o uniwersalnym zastosowaniu maszyny MANIAC, zbudowanej w IAS i wielu odkryć i wynalazków z różnych dziedzin nauki. Kolejna porcja informacji o Johnie Neumanie w następnych tygodniach, a na koniec akcent polski.

John von Neumann znał Stefana Banacha, naszego wybitnego matematyka, który był czołową postacią lwowskiej szkoły matematyki, znanego szerzej jako autora podręczników szkolnych do matematyki. Przed wybuchem II Wojny Światowej, kiedy to wielu europejskich naukowców (w dużej części pochodzenia żydowskiego, ale nie tylko) uciekało przed Hitlerem i jego zwolennikami do Stanów Zjednoczonych, rząd amerykański zaczął wykorzystywać ich wiedzę, proponując udział w projektach badawczych, oferował obywatelstwo i zapewne niemałe sumy pieniędzy. Właśnie tym celu von Neumann, pracujący już wtedy na rzecz rządu USA odwiedził Polskę i spotkał się ze Stefanem Banachem. Zaproponował mu emigrację do Stanów Zjednoczonych, profesurę na Uniwersytecie Princeton i oczywiście pracę dla rządu amerykańskiego. Wg anegdoty miał mu podać czek z napisaną jedynką, Banach miał sam dopisać dowolną ilość zer. Nasz rodak był dumnym Polskiem i miał odpowiedzieć: „Wie Pan, ale to za mało”. Nie wiem, czy tak było, ale wiem, że Banach nie wyjechał do Stanów, do końca życia mieszkał we Lwowie. To jego kolega, również lwowski matematyk Stanisław Ulam wyjechał do USA, współpracował z Neumannem i przeszedł do historii, jako współtwórca broni termojądrowej.

G.Shamot

W latach 30. i 40.  XX stulecia równolegle do niemieckich naukowców maszyny liczące wymyślali i konstruowali ich amerykańscy koledzy, a ściślej naukowcy z wielu krajów, pracujący na amerykańskich uczelniach, bo poza Amerykanami wielu naukowców do USA przygnała wojenna zawierucha. Jednym z nich był John Vincent Atanasoff, który wraz z asystentem Cliffordem Berrym w latach 1939-42 zbudował na Uniwersytecie Iowa maszynę liczącą zwaną od ich nazwisk ABC (Atanasoff-Berry Computer). Był to komputer skonstruowany z 270 lamp elektronowych, które obsługiwały czytnik i perforator kart oraz jednostkę centralną. Ponieważ nie wystąpili oni o opatentowanie swojego dzieła, skonstruowana kilka lat później maszyna  ENIAC była uważana za pierwszy komputer w historii aż do 1973 r. Wtedy sąd po rozpatrzeniu wniosku Atanasoffa uznał, że to jednak on był pierwszym twórcą komputera. Nie zapomnijmy, o czy pisałem w poprzednim tekście, że w tym samym czasie w Niemczech Konrad Zuse tworzył swoje Z1, Z2 i Z3. A zatem tych pierwszych komputerów mamy kilka. Ale nieważny tytuł, ważne, że komputery stawały się coraz doskonalsze i coraz szybsze. ABC wykonywał wyliczenia o 1000 razy szybciej niż inne ówczesne maszyny liczące.

Komputer ABC (foto. Wikipedia)

Wspomniany  ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) został skonstruowany w latach 1943-45 na Uniwersytecie Pensylwania przez Johna P. Eckerta i Johna W. Mauchly’ego. Choć ostatecznie tytułem pierwszego komputera na świecie musiał się podzielić z Z3 i ABC,  to na zawsze zostanie największym komputerem na świecie. Jego waga to prawie 30 ton, zajmował powierzchnię 140 metrów kwadratowych (tyle ile średniej wielkości dom jednorodzinny)! Zbudowany był z wykorzystaniem ponad 18 tys. lamp elektronowych, a wszystkie połączenia wymagały 500 tys. lutowań wykonywanych ręcznie.  Podstawowymi elementami ENIACa były akumulatory, każdy z takich akumulatorów zawierał 550 lamp elektronowych. Akumulatory potrafiły zapamiętać liczby dziesiętne, dodawać je i przekazywać dalej. Do  chłodzenia tak wielkiej maszyny służył system napędzany dwoma silnikami Chryslera. Liczenie w maszynie  odbywało się, w przeciwieństwie do współczesnych komputerów, w systemie dziesiętnym – liczył za pomocą liczb 10- cyfrowych. Szybkość pracy tego komputera była znacznie większa od maszyn zerowej generacji – przy częstotliwości zegarowej 100 kHz czas dodawania wynosił 0,2 ms, a mnożenie trwało 2,8 ms.

Komputer ENIAC (foto. Wikipedia)

ENIAC był już od początku projektem wojskowym, powstał z myślą o wykorzystaniu go w balistyce do wyliczania tabel strzelniczych na potrzeby marynarki wojennej. Służył również do prognozowania pogody, do badania promieniowania kosmicznego, do projektowania tuneli aerodynamicznych i także do pracy nad bronią atomową.

Poza wymienionymi twórcami komputera ENIAC, nad projektem pracowała cała rzesza matematyków, fizyków i naukowców innych specjalizacji. Doradcą projektu był, wspomniany w poprzednim tekście, pochodzący z Węgier John von Neumann. Jest to jedna z najważniejszych postaci w informatyce tamtych czasów, poświęcę mu więcej miejsca w jednym z następnych wpisów. Bierze on również udział w kolejnym projekcie budowy komputera EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Prace rozpoczęto w tym samym czasie co ENIAC, ale zakończono po wojnie w 1949 r. Maszyna  została zbudowana według projektu Johna P. Eckerta i Johna W. Mauchly’ego i właśnie von Neumanna. EDVAC był binarnym komputerem taktowany zegarem 1MHz, z rtęciową pamięcią  operacyjną o rozmiarze 1024 słów. Zbudowany był z 3 tysięcy lamp i elektronowych i 8 tysięcy diod.  Był to pierwszy komputer, który przechowywał wykonywany program w pamięci.

EDVAC był zbudowany, podobnie jak ENIAC, na Uniwersytecie Pensylwania na potrzeby balistyki, ale zapewne też był wykorzystany później do innych wojskowych celów w latach 50. Jednak nie mamy informacji na ten temat- wiadomo, tajne.

John von Neumann (foto. Wikipedia)

I na koniec jak zawsze, polonicum. John von Neumann był przyjacielem Polaka Stanisława Ulama. Ulam urodził się w rodzinie żydowskiej we Lwowie. Rozpoczął tam karierę matematyka należącego do  tzw. lwowskiej szkoły matematyki. W 1935 von Neuman zaprosił go do Stanów Zjednoczonych, gdzie od 1939 zamieszkał na stałe. Wykładał matematykę na Uniwersytecie Harvarda, potem został konsultantem armii amerykańskiej. W 1943 dostał obywatelstwo amerykańskie i zaczął pracować w ściśle tajnym projekcie Manhattan, którego celem było zbudowanie pierwszej bomby atomowej. Stanisław Ulam nie zbudował bomby atomowej, ale za to w latach 50.  XX w. stał się współtwórcą bomby wodorowej. Z racji politycznych całkowicie przemilczany za czasów PRL, również we współczesnej Polsce postać szerzej nieznana. Nie budował komputerów, lecz przeszedł do historii  jako jeden z pierwszych naukowców wykorzystujących je w swojej pracy badawczej. Może któreś z wyżej wymienionych?

G. Shamot