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ENIAC-第壹個現代通用電子計算機的研制成功

盡管阿塔納索夫研制的計算機以及專利申請資料的遭遇不佳,但他留下的研制資料對後來通用計算機研制起了深遠的影響。

1940年12月美國科學進步協會的年會上,阿塔納索夫結識了莫克利(John Willian Mauchly, 1902 - 1980)。

當時,莫克利執教於費城郊區的厄西那斯學院,教授物理課程。他的父親是壹位物理學家,他本人畢業於約翰*霍普金斯大學,教課之於研究宇宙射線和太陽黑子對地球天氣的影響。為了解決研究中的復雜計算問題,曾經研制壹臺模擬計算機用於計算。在這次大會上,他宣讀了壹篇論文,主題是關於如何通過機器計算比較天氣和太陽活動。同時,也提出了如何改進計算裝置提高計算的效率。他認為當時普遍使用的布什微分分析機在處理大量計算問題時有相當大的局限性以及效率低下,而機電式計算機由於機電部件反應緩慢(毫秒ms級別),解決問題的出路在應用電子電路(反應時間在微微秒級 ,其中1毫秒 = 1000 微妙)。

阿塔納索夫聽這篇報告後,非常興奮,並在會後與莫克利談到自己研制成功的電子計算機。盡管莫克利提到了應用電子電路制造計算機的想法,但僅僅是停留在構想階段,得到這壹消息非常震驚。於是,在阿塔納索夫盛情邀約下,莫克利於1941年6月驅車趕往阿塔納索夫所在的艾奧瓦州立大學計算機研究所參觀那臺專用電子計算機。

阿塔納索夫給莫克利演示了ABC 計算機的計算過程,介紹機器的結構,講述了其用穿孔卡片輸入運算數據,以及如何用電子電路控制運算,電弧穿孔技術以及二進制電容存儲技術。盡管不理解采用二進制作為數據表示及運算的好處,但這臺計算機極快的運算速度令莫克利感到著迷。他白天研究這臺計算機的原理,晚上仔細研讀阿塔納索夫的專利申請材料。知己難遇,阿塔納索夫毫不保留的把自己制造電子計算機的所有核心技術都講解給了莫克利。

五天後,莫克利因為要參加美國國防部為賓夕法尼亞州立大學莫爾電氣工程學院研究生辦理的培訓班匆匆離去。時間雖短,他對ABC 的關鍵技術了然於胸,並決定制造壹臺更完美的計算機。

在國防訓練班的電子學課堂上,莫克利認識了在莫爾電氣工程學院攻讀研究生的埃克特(John Presper Eckert , 1919 - 1995)。埃克特富裕的家庭令他擁有壹間帶工作臺的車庫,從小迷戀電子設備的他在車庫裏制造了很多電子設備,這極大的鍛煉了動手能力並積累了豐富的電氣制造經驗。莫克利向埃克特講述了自己對電子計算機的構想,埃克特認可了該構想並認為可以實現。1942年莫克利轉到賓州州立大學任教,教學之余與埃克特投入到ABC計算機的研究改造中去。同年,莫克利撰寫《高速計算裝置的使用》,在文中闡述了他們研制計算機的方案。

二戰中,日本偷襲珍珠港後,美日開戰。賓夕法尼亞州立大學的所有布什微分分析機被阿伯丁彈道實驗室征用,用於彈道軌跡計算。盡管如此,彈道軌跡計算速度依然緩慢。負責計算彈道軌跡計算項目的戈德斯坦改進微分分析機,把壹條60秒彈道軌跡計算時間壓縮到20分鐘內,但是每天計算6張包含900條彈道的火力表依然是困難重重,原因是微分分析機的機械部件速度緩慢並且計算精度低(1%)。

必須改進計算裝置,但苦於沒有相關人才。當得知莫克利的計算機方案後,戈德斯坦找到莫克利並且講述了自己需求,並建議莫克利撰寫壹份研制計算機的報告提交美國軍方。這份報告被討論後,得到美國軍方認可並確定了要制造的計算機名稱為“電子數字積分機和計算機 Electronic Numerical Integrator And Computer” ,簡稱“ENIAC” ,中文翻譯愛尼艾克。

1943年7月項目正式啟動,美國軍方提供15萬美元研究經費,由莫爾電氣學院用於制造壹臺秒級完成彈道軌跡運算的電子計算機,用於幫助計算火力表提高效率。

項目成立後,戈德斯坦作為軍方代表協調和管理項目的執行,莫克利擔任顧問負責ENIAC的總體設計,埃克特擔任總工程師協助莫克利完成總體設計,負責解決制造中出現的壹系列困難復雜的技術問題。莫爾學院同時召集大量的高級工程師等技術人員參與設計制造。

完成總體設計和基本準備後,就開始了具體的制造階段。項目並不是壹帆風順的,埃克特壹直泡在實驗室裏,不但對制造的電子元器嚴格把關,而且對制造過程中遇到的困難都深入分析,找尋解決方案。

1944年夏天,ENIAC進入到制造最關鍵階段。壹天傍晚,戈德斯坦上尉在彈道實驗室返回費城的火車站 - 阿伯丁火車站遇到了當時已經世界聞名的數學家馮 諾伊曼博士(John Von Neumann, 1908 - 1957)。

馮 諾伊曼出生於匈牙利的猶太人家庭,父親是壹名銀行家。馮 諾伊曼六歲會心算八位數字除法,八歲學會微積分。17歲馮 諾伊曼和他的教授合寫了第壹篇數學論文。1926年獲得匈牙利布達佩斯大學數學博士學位,後轉向物理學研究。到1930年,他已成為完成數理化皆通的學者,備受世人矚目,先後在柏林大學,漢堡大學任教。美國數學家韋伯倫教授招收英才,使馮 諾伊曼有機會來普林斯頓大學任教。1933年,馮 諾伊曼與愛因斯坦壹同被評為普林斯頓大學的終身教授,成為普林斯頓大學高級研究員數學所的6位奠基教授之壹,隨後由於德國納粹迫害猶太政策,他加入美國國籍。二戰後,馮 諾伊曼被選為美國科學院院士和原子能委員會委員,成為美國政府高級科學顧問之壹。此時,他正參與“曼哈頓計劃” ,即原子彈研制項目。

戈德斯坦懷著崇敬的心情走過去做了自我介紹,而馮 諾伊曼也沒有擺架子,雙方交談融洽。戈德斯坦向馮 諾伊曼介紹自己正參與的研制每秒計算333次乘法運算的計算機時,馮 諾伊曼很感興趣,並連連發問。原來,馮*諾伊曼參與的“曼哈頓計劃” 遇到了和阿伯丁彈道實驗室面臨的相似問題 - 曼哈頓計劃需要計算核裂變當量的計算量非常大,據估計超過有史以來所知計算量的總和,靠人力無法完成。他們調用了IBM公司的臺式卡片機,並投入大量人力,但進展緩慢;後來,又調用了哈弗大學的機電式馬克-I進行計算,仍然不能得到令人滿意的計算速度。計算速度低下嚴重制約著項目的進展,當得知莫爾學院正在研制高速計算設備,豈能不心動 ?因為他知道這臺機器壹旦研制成功,“曼哈頓計劃”的進度問題得到解決將成為可能。

1944年8月,馮 諾依曼來到莫爾學院參觀ENIAC,提出的第壹個問題是關於ENIAC的邏輯結構,這讓埃克特暗自佩服。莫克利與埃克特邀請馮 諾依曼加入並擔任顧問,並進行指導和支持。

馮 諾依曼的加盟對項目起到巨大作用,壹方面,由於他的特殊身份,軍方對項目的信心大增,項目資金也由最初的15萬美元增加到接近50萬美元,極大支持了項目因遇到問題不斷修改方案的資金需求;另壹方面,馮 諾依曼的技術才能位項目註入了活力,他加入後就參與討論分析遇到的技術難題,尤其是存儲問題。針對調試和制造中遇到的問題,總能給出獨特的解決方案。對項目的成功起著莫大的作用。

1945年春ENIAC研制成功並投入運行,基本滿足了設計要求。建成後的ENIAC儼然是壹臺龐然大物,占地168平米,占滿整個房間。它有2.5米高,0.914米寬,30.48米長,重量達30噸。它使用16種不同型號的188000個電子管,1500個繼電器,70000個電阻,18000個電容器,這些元件通過5萬個焊頭和11.265千米銅導線連在壹起,機器時鐘100KHZ,內部有20個字節的寄存器,每個字長10位,采用十進制運算,速度達到5000次每秒。

用這臺計算機,把60秒彈道軌跡的計算時間,由微分機需要的20小時縮短到30秒,滿足了軍方的火力表計算時限要求。隨後,ENIAC又幫助曼哈頓計劃順利解決了核裂變的復雜方程問題,為第壹課原子彈的研制成功加快了進度。

1946年2月10日,經過壹年的試運行,ENIAC與世人見面。美國陸軍軍械部和莫爾電氣學院***同舉行了新聞發布會,宣布世界上第壹臺電子計算機由莫爾電氣工程學院研制成功。

ENIAC研制成功並投入運行,標誌著人類進入了新的計算時代,開啟了信息時代的大門。美國《時代周刊》的壹名記者在參觀完ENIAC機的運算後寫道:“它的電子智慧開啟了壹個新世界”。

ENIAC計算機投入運行後,被運送到馬裏蘭州的軍方阿伯丁試驗基地。除了被用於彈道計算外,還為很多科研項目進行數據處理計算,其中最有名的是天氣預報,飛機設計等風洞試驗,原子核能計算,宇宙射線計算和圓周率計算等項目。人類歷史上第壹臺通用電子計算機壹直運行到1955年10月2日才退役,實際運行時長達80223小時。

仔細觀察ENIAC的邏輯結構和設計,其設計思想都是ABC計算機的翻版。但是,莫克裏並未向世人說明,不能不說是壹種遺憾。

1967年霍尼韋爾公司與買下ENIAC計算機專利權的斯佩裏蘭德公司因ENIAC專利權發生壹場官司。最終,經過6年取證和135次庭審,法院最終於1973年判決斯佩裏蘭德公司敗訴,判決ENIAC專利權無效。判決書寫著:“莫克利和埃克特並不是自己最先發明了自動化的電子計算機,而是從阿塔納索夫博士的發明中獲得有關材料的。”

盡管,在整個庭審中和判決後,莫克利壹直拒絕承認從阿塔納索夫那裏獲取有價值的信息,但是人們從判決結果中認識到事情的原貌。阿塔納索夫被稱為真正的電子計算機之父。

ENIAC計算機與以往計算機相比,有很大的優點:

1) 計算速度快;

2) 有內部記憶存儲能力;

3)有邏輯判斷力;

4)計算結果有較高的準確度和可信度;

當然,也有很多缺點:

1)采用十進制未采用二進制,導致運算器設計復雜;

2)無程序存儲能力;

3)存儲容量小;

4)故障率高;

5)耗電量大;

ENIAC的缺點是在制造和調試過程中發現的,馮 諾依曼加入後提出了采用十進制的缺點,運算器的復雜導致最終乘法運算速度只有每秒50未達到每秒333次的預期目標。但是項目已經完成早期設計,只能進行適當的維護和修補。

馮 諾依曼認識到改進設計對機器性能的影響,與莫克利和埃克特等項目組成員進行討論研究,制定了改進方案。

1945年6月,馮 諾依曼起草壹份新的計算機設計報告--《關於離散變量自動電子計算機的草案》,提交陸軍軍械部並獲得批準用於研制新型計算機。在這份長達101頁的報告中,馮 諾依曼給這種新型計算機命名為“散變量自動電子計算機”,簡稱“EDVAC”,中文音譯“愛達法克”。

EDVAC的設計方案在兩個方面根本解決了ENIAC的缺點:

1)以二進制代替十進制。二進制的狀態,更容易用電子電路的斷開與接通兩種狀態表達0,1;另壹方面,運算得以簡化,單位加法運算 只有0+0, 0+1, 1+0, 1+1四種狀態,加減乘除都可以用加法器來實現,簡化了運算部件的復雜程度和運算速度;

2)提出了在計算機內部存儲器存儲程序的概念。EDVAC機的內存采用水銀延遲線來存儲指令,設計有1024個字節,程序指令以及數據通過穿孔卡片輸入。機器把這些信息讀入內存單元後,便可自動執行特定計算任務。若要改變計算任務,只需要讀入代表不同含義的穿孔卡片即可自動完成不同計算任務,實現了通用性,避免人工手動幹預,提高運算速度。

經過這兩方面改進,EDVAC機的組成可分五部分:

1)運算器

用於加減乘除等算術運算及邏輯運算

2)邏輯控制器

用於自動控制機器指令,協調程序自動化執行

3)存儲器

用於存儲程序的指令和數據

4)輸入裝置

讀入程序指令和數據,送至存儲器

5)輸出裝置

把計算機運算結果和人們要求的數據送出

EDVAC機的設計方案奠定了現代計算機的結構框架,並沿用至今,這壹體系結構被稱為“馮*諾依曼機” 。

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