Pierwszy komputer? A może pierwsze trzy…?

Dotarliśmy do świąt wielkanocnych, w domach świąteczne porządki, kuchnie wypełnione zapachami ciast i potraw świątecznych. Jajka czekają na pomalowanie,  dzieci zerkają czy gdzieś już zając nie schował prezentu, a dorośli powoli wchodzą w świąteczny nastrój, który pozwoli na chwilę oderwać się od rzeczywistości i może wrócić do ulubionej książki, hobby lub po prostu zwolnić i cieszyć się chwilą. Pogoda w kratkę, w środku tygodnia 20ºC, a dziś w nocy przymrozek i tylko 10ºC w ciągu dnia. Przyroda powoli budzi się do życia krokusy już przekwitają, ale za to klon kusi kwiatami pszczoły. Te pracowite owady, aby wyprodukować 300g miodu muszą odwiedzić 2 miliony kwiatów i przelecieć dystans prawie 90.000 km. Zasięg lotu pszczoły to około 3 km, prędkość 24 km/h i jest ona w stanie podczas jednego lotu odwiedzić  50-100 kwiatów, a wracając do ula z nektarem jest cięższa o połowę wykonując przy tym pracę skrzydłami dochodzącą do 400 uderzeń na sekundę. Pszczoły lotne, stanowiące 1/3 roju, po dodaniu do nektaru enzymów przenoszą go do ula, gdzie jest on przejmowany przez pszczoły ulowe, które wzbogacają nektar o aminokwasy, kwasy organiczne oraz enzymy rozkładające wielocukry na cukry proste i roznoszą nektar po komórkach plastra miodu w celu uzyskania jego zagęszczenia. Dojrzały miód jest zasklepiany w komórkach cienką warstwą wosku. Miód składa się w 80% z naturalnych cukrów, w 18% z wody, a pozostałe 2% to składniki mineralne, witaminy, proteiny i pyłki. Robotnica żyje od 4 do 24 tygodni i swoim życiu jest w stanie wyprodukować 1/12 łyżeczki miodu. Królowa dożywa 5 lat i jest w stanie złożyć 3.000 jaj dziennie. Trutnie natomiast dożywają 4-5 tygodni i ich krótki żywot zakańcza  miłosne uniesienie, po którym przenoszą się do krainy wiecznego szczęścia. 😉 Pszczoły to nie tylko miód, przenoszą one ogromne ilości pyłków i bez ich pracy wiele roślin nie byłoby w stanie się rozmnażać lub wydać owoców. Pamiętajmy zatem aby dbać o pszczoły, nie używać środków chemicznych tam gdzie nie jest to konieczne, a jeżeli już to robić to wieczorem. Pszczoły z natury są spokojne i nie obawiajmy się ich, nie mają żadnego powodu aby nas żądlić. Po użądleniu pszczoła umiera, ponieważ dochodzi do szkodzenia jej narządów wewnętrznych. Co słychać natomiast u ptaków w ogrodzie? Mają się doskonale, pojawiły się owady, a więc naturalny pokarm wielu z nich. Kos po zimowym dokarmianiu w ramach akcji “Jabłokos” stara się odwdzięczyć jak może śpiewając cały swój repertuar koncertowy i to najczęściej wczesnym rankiem oraz o zachodzie słońca. 😉 Pies dalej zajęty pilnowaniem ptaków w pozycji nisko-energetycznej, czasem jednak zamieniana ona jest na “siad”, który ma wbudowaną opcję “battery saving” i po 2 minutach przechodzi w stan niskiej konsumpcji energii. Ta opcja jest ustawiona w BIOS’ie psa i nie można jej wyłączyć. 😉

Czym się dzisiaj zajmiemy? Zapewne słyszeliście o tym, iż pierwszym cyfrowym komputerem był amerykański ENIAC. Jednak nie do końca, tak naprawdę były trzy komputery stworzone mniej więcej w tym samym czasie i o nich dzisiaj opowiemy. Szykujcie aromatyczną kawę w podgrzanej uprzednio filiżance, do tego warto “zwędzić” z kuchni kawałek babki wielkanocnej lub mazurka i tak przygotowani możemy zaczynać. Ale zaraz, zapomniałem o najważniejszym, odkurzona kanapa lub fotel na pewno już czeka, a koc chętnie odda Wam swe nieocenione usługi. Gotowi? Lecimy zatem do pierwszej połowy XX wieku.

***

Zacznijmy od prawdopodobnie mało znanego prekursora komputerów a mianowicie od Konrada Zuse. Urodził się w Berlinie a wychowywał w Braniewie. Uczęszczał do byłego jezuickiego kolegium w tym mieście, pierwszej takiej uczelni w Polsce założonej w 1565 roku. W czasie jego nauki uczelnia ta miała status pruskiej Akademii Państwowej. Następnie rodzina przeniosła się do Hoyerswerdy na Górnych Łużycach (łuż. Wojerecy), gdzie Konrad zdał maturę. Następnie studiował na Technische Hochschule w Berlinie i ukończył tam inżynierię lądową. Pracując w firmie Henschel przy produkcji samolotów, wykonywał ręcznie dużą ilość żmudnych kalkulacji.

W 1935 roku w mieszkaniu rodziców zaczął eksperymentować nad możliwością zautomatyzowania obliczeń i wynikiem jego prac był ukończony w 1938r. zmiennoprzecinkowy binarny kalkulator Z1 z ograniczonymi możliwościami programowania czytający instrukcje z perforowanej taśmy filmowej 35mm. Składał się on z 30.000 metalowych części i nie pracował zbyt dobrze z powodu niewystarczającej precyzji mechanicznej. We wrześniu 1940r. Zuse zaprezentował Z2, ulepszoną wersję Z1 tym razem zbudowaną z przekaźników telefonicznych. W 1941r. Zuse założył swoją pierwszą firmę: Zuse Apparatenbau. 12 maja 1941r. zaprezentował swoje kolejne dzieło: Z3.

Był to 22-bitowy zmiennoprzecinkowy komputer z możliwością programowania pętli. Pamięć i jednostka obliczeniowa bazowała na przekaźnikach telefonicznych (łącznie 2.600). Zegar taktujący pracował z częstotliwością 5-10 Hz (5 Hz -> 5 razy w ciągu sekundy). Pomimo braku możliwości programowania skoków warunkowych Z3 jest uznawany za pierwszy komputer odpowiadający kompletnej maszynie Turniga. Pracując nad komputerem Z4 Zuse doszedł do wniosku, iż programowanie w kodzie maszynowym jest zbyt skomplikowane i opracował w latach 1942-45 wyprzedzający swoje czasy pierwszy język programowania wysokiego poziomu: Plankalkül. Po wojnie Zuse założył, z funduszy pozyskanych od Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) z Zurychu i ze sprzedaży swoich patentów IBM, jedną z pierwszych firm komputerowych: Zuse-Ingenieurbüro Hopferau.

W 1947r. doszło do spotkania w Getyndze pomiędzy Zuse a Alanem Turingiem. W 1949r. Zuse założył w Haunetal-Neukirchen firmę Zuse KG (osiem lat później przeniesioną do Bad Hersfeld). W tym samym roku Zuse wznowił prace nad Z4 i w 1950r. sprzedał pierwszy egzemplarz do ETH Zurych. Był to pierwszy na świecie sprzedany działający komercyjny komputer. Posiadał już instrukcje warunkowe. Pobierał 4kW energii.

Długość słowa maszynowego tego komputera wynosiła 32 bity, składał się z 2.500 przekaźników i 25 przełączników krokowych, pamięć mechaniczna mieściła 64 słowa 32-bitowe, a zegar taktujący pracował z częstotliwością 40 Hz. Zuse kontynuował prace nad komputerami aż do modelu Z43.

Na uwagę zasługuje Z11 (1955), pierwszy seryjnie produkowany komputer w firmie Zuse KG i jego następca Z22 (1956) będący pierwszym komputerem Zuse opartym na lampach elektronowych i posiadającym pamięć magnetyczną. W 1956 roku Zuse zaczął pracować nad ploterem, który został zaprezentowany w 1961 roku na targach w Hanowerze. W 1967 roku firma Konrada Zuse upadła i została przejęta przez Siemensa. W następnych latach Konrad Zuse nie zajmował się już zawodowo komputerami, zaczął malować, m.in. namalował obraz Billa Gates’a, który wręczył mu podczas targów CeBIT w 1995 roku. Portret ten wisi w siedzibie Microsoftu w Seattle. Warto tu także przytoczyć prorocze słowa Konrada Zuse:

Jasne było dla mnie, że wkroczyłem w nowy świat obliczeń i byłem przekonany, że gra w szachy jest tym polem, gdzie będzie można to wykorzystać. Lecz kiedy mówiłem w 1938 roku, że za 50 lat mistrza szachowego pokona maszyna, nikt mi nie wierzył. To się co prawda nie sprawdziło, ale nie byłem daleki od prawdy.

Będąc w Niemczech możecie odwiedzić dwa muzea związane z osobą Konrada Zuse: Konrad-Zuse-Museum i Zuse-Computer-Museum.

***

Wspomnieliśmy Brytyjczyka Alana Turninga, co prawda nie był on bezpośrednio twórcą pierwszego cyfrowego komputera, natomiast położył podwaliny pod dzisiejsze komputery opracowując koncepcje teoretyczne i uznawany jest za ojca sztucznej inteligencji. Turing w swoich pracach przedstawił koncepcję pierwszego komputera w oparciu o prace nad maszyną różnicową prowadzone przez dziewiętnastowiecznego angielskiego matematyka i konstruktora maszyn liczących Charlesa Babbage’a. Koncepcja maszyny Turinga położyła podwaliny pod dzisiejszą informatykę. Istotną teorią była też wspomniana kompletność Turinga polegająca na tym, że dana maszyna lub program jest w stanie wykonać (lub wyrazić w przypadku języka programowania) każdy algorytm. Warto tu też wspomnieć słynny test Turinga mający na celu określenie zdolności maszyny do posługiwania się językiem naturalnym, pośrednio mogącym sugerować zdolność myślenia. Test ten polega na ocenie przez człowieka (sędziego) rozmowy prowadzonej z ludźmi i maszynami.

Jeżeli sędzia nie jest w stanie określić, czy rozmawia z maszyną, czy też z człowiekiem, uważa się test za zdany. Jego koncepcję wykorzystuje się w dobrze Wam znanych i niekiedy irytujących filtrach anty-spamowych CAPTCHA (ang. Completely Automated Public Turing test to tell Computers and Humans Apart). Turing oprócz prac teoretycznych był zaangażowany w pracę kryptoanalityka w Bletchley Park.

Tam też w latach 1939-1940 zaprojektował bazując na urządzeniu mechaniczno-elektrycznym tzw. Bombie Kryptologicznej Rejewskiego, (polskiego kryptologa pochodzącego z Bydgoszczy, będącego jednym z trzech polskich matematyków odpowiedzialnych za złamanie kodu Enigmy – pozostali to Jerzy Różycki i Henryk Zygalski) tzw. Bombę Turinga pozwalającą na automatyczne łamanie niemieckich szyfrogramów. Niestety 8 czerwca 1954 roku Turing w wieku 41 lat został znaleziony martwy w swoim pokoju, a powodem było otrucie w dniu poprzednim cyjankiem. Ustalono, iż popełnił samobójstwo. 9 września 2009 roku premier Wlk.Brytanii Gordon Brown wystosował oficjalne przeprosiny, w związku z tym, iż Turing za jego orientację homoseksualną został skazany w 1952r. na karę więzienia lub terapię hormonalną. Ta ostatnia, wybrana przez Turinga doprowadziła do wystąpienia u niego ginekomastii.

Z osobą Alana Turinga związany jest temat brytyjskiego komputera Colossus. Jednak Turing nie był jego autorem, a był nim mianowicie angielski inżynier Tommy Flowers. W lutym 1941 roku Turing zwrócił się z prośbą do Flowers’a o pomoc przy pracach związanych z jego bombą kryptologiczną. Turing był pod wrażeniem pracy Flowers’a i przedstawił go  Maxowi Newman’owi, który to z kolei prowadził projekt mający na celu zautomatyzowanie kryptoanalizy kodu maszyny Lorenza stosowanej przez dowodzących wojskami niemieckimi (w odróżnieniu od enigmy, która z racji swoich małych rozmiarów mogła być stosowana przez jednostki polowe). Doprowadziło to do opracowania przez Flowers’a i Franka Morrell’a systemu elektronicznego o nazwie  Health Robinson. System ten był powolny i nie do końca pewny, dlatego Flowers opracował jego alternatywę: złożony z 1.600 lamp elektronowych (zamiast 150 zastosowanych w Health Robinson) komputer Colossus.  Prototyp tego urządzenia został zaprezentowany w grudniu 1943r. i był używany w Bletchley Park. Maszyna ta jest uznawana za jeden z piewszych w pełni programowalnych cyfrowych komputerów i co ciekawe programowało się ją za pomocą przełączników i wtyków.

Ulepszoną wersję: Colossus MK2 zaczęto produkować z szybkością 1 sztuki miesięcznie i pierwszy egzemplarz ujrzał światło dzienne 1 czerwca 1944 roku. Komputer składał się z 2.400 lamp elektronowych i był pięciokrotnie szybszy od MK1. Maszyna ta niemal natychmiast udowodniła swoją wartość dostarczając kluczową informację dla powodzenia operacji lądowania aliantów w Normandii (D-Day) planowanego na 5 czerwca (opóźnionego jednak o jeden dzień w związku z pogodą). 5 czerwca generał Eisenhower otrzymał rozkodowaną przez Colosussa MK2 depeszę, potwierdzającą, iż Hitler nie planuje przesuwania wojsk do Normandii, ponieważ jest przekonany, że lądowanie tam to tylko dezinformacja. Mając ten dalekopis w ręku Eisenhower wydał natychmiast rozkaz rozpoczęcia lądowania w dniu 6 czerwca 1944.

***

Trzecim z pionierskich cyfrowych komputerów był amerykański ENIAC (ang. Electronic Numerical Integrator and Computer). Został on skonstruowany przez fizyka Johna Mauchly’ego i inżyniera Johna Adama Prespera Eckert’a juniora z Uniwersytetu Pensylwanii. Projekt był finansowany przez armię USA w ramach programu stworzenia maszyny do obliczania tablic artyleryjskich. 10 grudnia 1945 roku urządzenie weszło do użytku. Komputer był w pełni programowalną, elektroniczną jednostką obliczeniową i tworzył kompletną maszynę Turinga. Będąc tysiąc razy szybszy od maszyn elektromechanicznych ENIAC był w stanie obliczyć trajektorię pocisku w 30 sekund zamiast 20 godzin, które potrzebował na to człowiek. Komputer ENIAC składał się z:

• 18.000 lamp elektronowych,
• 7.200 diod (tu przypomina mi się mój nauczyciel z technikum, który ścigał nas za odmianę: “diód”, pukał się wtedy w czoło i mówił, że w takim razie powinniśmy mówić “dióda” 😉 )
• 1.500 przekaźników
• 70.000 rezystorów
• 10.000  kondensatorów
• 5.000.000 ręcznie wykonanych połączeń lutowanych.

Komputer pracował w systemie dziesiętnym, ważył 27 ton, a rozmiary: 2,4 m × 0,9 m × 30 m powodowały, iż potrzebował hali. System chłodzenia tworzyły dwa silniki Chryslera o mocy 24 KM. Pobierana moc sięgała 150 kW i mówiło się, że jak uruchamiano ENIAC’a, to w Filadelfii przygasały żarówki. 🙂

Oryginalny kosztorys zakładał sumę 61.000 dolarów amerykańskich, koszt jednak osiągnął 500.000 $ (odpowiednik 7.200.000 $ w 2019r.) Komputer pozostawał w użyciu do 2.10.1955. Ogromnym wyzwaniem było jego programowanie i tu należy wspomnieć grupę programistów, która nie tylko była w stanie oprogramować ENIAC’a, ale także rozumiała jego wewnętrzne działanie: Kay McNulty, Betty Jennings, Betty Snyder (widoczna na zdjęciu powyżej), Marlyn Meltzer, Fran Bilas i Ruth Lichterman. Porównując uzyskaną moc obliczeniową ENIAC’a z telefonem komórkowym z początków XXI wieku ten ostatni jest 1300 razy bardziej wydajny. Pięćdziesiątą rocznicę powstania tego komputera Uniwersytet Pensylwanii uczcił projektem ENIAC-on-a-Chip, w ramach którego stworzono układ elektroniczny o funkcjonalności ENIAC’a. Tu widać doskonale jak bardzo naprzód poszła elektronika i komputery. Coś co pobierało 150 kW mocy można obecnie zmieścić na kawałku półprzewodnika wykonanego w technologii 0,5 μm CMOS (ang. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Sam układ ma rozmiar 7,44mm x 5,29mm i zawiera 174.569 tranzystorów. Pobierane moce są rzędu watów i żarówki w Filadelfii na pewno nie przygasają po jego włączeniu. 😉

***

Czas kończyć nasz wpis, jak widać ciężko jednoznacznie powiedzieć, który komputer był pierwszy. Wszystko natomiast wskazuje na Z3 Konrada Zuse, ale zostawmy tę kwestię historykom. Dla wytrwałych Czytelników, którzy dotarli do tego miejsca mam niespodziankę, jeżeli znajdziecie chwilę wejdźcie na stronę brytyjskiego The National Museum of Computing, gdzie można wirtualnie przejść przez całe muzeum mieszczące się nota bene w Bletchley Park i pooglądać eksponaty, bardzo polecam, jest to świetnie przygotowana prezentacja mutlimedialna: https://www.tnmoc.org/3d-virtual-tour .

***

Na koniec chciałbym życzyć Wam zdrowych i wesołych świąt wielkanocnych, dobrej pogody i trochę zwolnienia zegarów taktujących 😉 , aby był czas na spacer, odkładane hobby i dobrą książkę. Trzymajcie się ciepło! 🙂