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日志

第一台通用电子数字计算机“埃尼阿克”(Eniac)的诞生

热度 3已有 1209 次阅读2014-2-6 11:25 | 计算机, 通用, 电子

        约翰·埃克特(John Presper Eckert,Jr.)1919年4月9日生于美国的历史名城费城。他的父亲是通过艰辛劳动一步一步变成富有的不动产开发商和建筑商。埃克特从小就表现出 很高的智商和创造力:8岁时在铅笔上装了一个晶体收音机;12岁时制作了一艘模型船,船底下安装一块磁铁,使船可以在水中运动,他的这个小发明在一次业余 发明博览会上赢得了一等奖;15岁时他设计了一个遥控炸弹(当然不是真的有杀伤力的炸弹),把它放在学校礼堂的舞台上,在观众席中按一下按钮就能把它引 爆;中学毕业前,他为当地Laurel Hill公墓设计了一个很实用的消声装置,能把火化场附近的噪音吸收掉,使在公墓中哀悼死者的人们得以清静。1937年埃克特中学毕业时,已学完了大学一 年级的工程数学课程。他本想进MIT深造,并已被MIT录取,但因为他是家中的独子,他母亲舍不得他离家那么远(实际上,费城和MIT所在的剑桥同在美国 东北沿海,两地相距不超过500公里),他父亲也不喜欢埃克特学理工,而动员他学商,因此骗他说,MIT的学费十分昂贵,他供不起,于是埃克特不得已就近 进了宾州大学的金融学院(Warton School of Finance,University of Pennsylvania)。但埃克特对金融实在不感兴趣,因此很快就转系了,本来想转物理系,但因为物理系注册名额已满,只好进了莫尔电气工程学院 (Moore School of Electrical Engineering)。进了宾州大学以后,埃克特知道MIT的学费并不像他父亲说的那样贵得供不起,自己受了骗,十分恼怒,情绪很低落,因此第一学年 他的成绩很不好。随着时间的流逝,埃克特的情绪才慢慢平复过来,他的创造力也重新焕发出来。在莫尔学院期间,他发明过用紫外线测量萘蒸气的浓度的仪器,改 进了压力计的电路,开发了测量金属疲劳极限的仪器,对模拟微分分析器进行了改进。第二次世界大战爆发以后,他根据战争的需要又研制出了侦察磁性 水雷的仪器,这个仪器能记录磁场的极微小的变化;他还利用延迟线发明了用于雷达测距的装置等。1941年他大学毕业,取得电气工程学士学位,并留校继续念 研究生。

 

        埃克特曾为未能如愿上MIT而烦恼。但宾州大学莫尔电气工程学院为他开辟了另一条走向辉煌的道路,因为莫尔学院与美国陆军军械部有着不同寻常的关 系,承担着为设立在马里兰州的阿伯丁试验基地弹道研究实验室培养人才和计算弹道的任务。1942年,盟军进攻北非时遇到了一个很大的难题:由于北非的地面 比马里兰州的地面软,原先的火炮射击表都不能用了,必须重新计算弹道和编制射击表。莫尔学院和阿伯丁实验室的人员利用当时的计算工具无论如何也完成不了这 个任务。因为计算一个弹道平均需要750个乘法和更多的加法、减法如果考虑各种初始条件(如方位角、炮口速度、气温和湿度、大气压等),对一种型号一种 口径的火炮的完整的射击表,应该计算2000~4000个弹道。而台式计算机完成一个弹道计算要几个小时,即使用当时最强大的差分计算机,编制出一个射击 表也要30天。那么多型号、那么多口径的火炮的火力表要到哪一天才能完成?因为当时美国仅有4台差分计算机,莫尔学院只有一台,另外三台中有1台在通用电 气公司,2台在MIT。在这种情况下,研制比差分计算机快成千上万倍的电子计算机的任务就被当做当务之急提出来了。


注:当时清华曾经计划造 bush 的差分计算机,这玩意很贵,维纳提出用全电代替机械。世界上有的估计也就是 挪威的奥斯陆大学、英国的曼彻斯特大学。不要说计算机了,差分机就很贵。


       布什:微分分析器耗费了我们25000 美元, 而这只是实在的开支, 即薪水和购买设备之类的支出, 不包含管理费用, 管理费可能与前者同样多。宾夕法尼亚大学的分析器更加庞大而精良, 是政府出资建造的, 耗费是我们的两倍。


        清华当年真是牛叉,造风洞、造计算机,呵呵


       1941年夏天,刚大学毕业的埃克特留校参加了一个服务于战备的电子学工程师培训班,培训班共有来自全美国的20名学员。在这里,他遇见了比他大几 岁的莫奇利。莫奇利对气象学有兴趣,在研究气象预报中萌发了研制高速电子计算机的念头,但他对电子学不太熟悉。两人交换了思想以后,一拍即合,从此携起手 来共同投入了研制电子计算机的事业。  莫奇利在结束培训班以后调至莫尔学院任教,1942年8月起草了一份研制电子计算机的报告:“The Use of High-Speed Vacuum Tube Devices for Calculating”,得到军械部与莫尔学院之间的联络官哥尔斯廷(H.H.Goldstine,他也是计算机先驱奖的获得者)的赏识,他让埃克特增 补了一个附录,对莫奇利的方案如何实现具体化(因为莫奇利的报告比较简单,只有5页,只提出了大致方案和论证了可行性),交给军械部。1943年4月9 日,也就是埃克特24岁生日那天,经过开会讨论,军械部决定采纳这个方案,投资40万美元建造这台电子计算机,这就是ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)。(开始时,这个名称中并没有“Computer”这个词,因为当时只计划用于计算弹道方程和编制射击表。后来机器也被用来解其他问 题,才加上了“Computer”)。项目被简称为PX(Project X)。过了约两个月,即 1943年6月5日,项目正式签约上马,合同号为W—670—ORD—4926。莫尔学院组织了50名技术人员投入项目,任命埃克 特为总工程师,莫奇利为顾问。这些人除了莫奇利以外都是全力以赴的,而莫奇利则因为有教学任务而例外。其时,埃克特只有24岁,还是一个在学的硕士研究生 (他的硕士学位是当年稍后才取得的,而由于研制计算机妨碍了学业,他的博士学位直到1964年才取得,是“名誉”的)。莫尔学院领导人慧眼识英雄,而且不 拘一格用人才,表现出了令人叹服的胆识;而埃克特初生牛犊不怕虎,敢挑重担,其勇气和才华也着实令人钦佩。


注:清华大学这一时期,在计算机的研制思路中起到了核心的作用,维纳提出的“全电” 思想,取代了布什的机械部分。


       维纳自传: “ 李和我实际上所试做的, 是步布什的后尘制造模拟计算机, 不过我们使之达到电路的高速度, 而不是机械的轴和积分器的低得多的速度。这个原理是非常正确的,事实上后来也为其他人所彻底实行。”


        ENIAC的研制可谓经历了千辛万苦,克服了重重困难。这不单因为它没有先例,还因为它是一个有18 000多只电子管,7 200只晶体二极管,10 000多只电容,7000多只电阻,5万多个焊点,消耗功率174kW,重约30吨,占地200 m2的庞然大物。这么多的电子元器件放在一起,尤其是电子管本身寿命就短,容易损坏,如何保证有一定的可靠运行时间就是一个极大的问题。因为在ENIAC 以前,用电子管最多的仪器是雷达,但只有200只电子管,而ENIAC用了18 000多只,是这个数字的90倍! ENIAC方案在讨论时被批评得最多,认为不可行的,主要是这一点埃克特在研制中着力解决了这个问题,他采用使电子管 在“降额”情况下运行,即远低于额定功率运行,以及开机后尽量不关机,避免开、关时电流冲击等办法提高了电子管的使用寿命和工作可靠性。此外,当然还有必 要的降温措施(传说ENIAC每天要用成吨冰块冷却机器)。由于机器连线总长度达到数十公里,而机房中有老鼠,如何防止老鼠咬断电线也成了一个问题。为此 他们甚至做了这样一个试验:捉几只老鼠关起来锇它们一段时间,然后把各种不同的电线放进去,看它们喜欢咬哪种电线,以此决定机器中用哪种电线。


       经过近3年的艰苦努力,ENIAC在1946年2月终于完成,这时战争已经结束。ENIAC的总成本为48万6千8百美元。它包括控制部分、高速存储部分、运算部分和输入输出部分,采用十进制,运算部件能通过直接计数而不是用逻辑电路进行加、减、乘、除等四则运算和开平方运算,其累加器则具有加法运 算和存储I力能。输出采用IBM的穿孔卡片机,每分钟能输入125张卡片,输出100张卡片。输入输出可以重叠并具有缓冲能力。ENIAC中还有只读存储 器ROM,通过ROM、累加器和程序面板一起实现程序控制,通过改变面板插接线改变程序。ENIAC中的基本电路包括“门”(逻辑与)、缓冲器(逻辑或) 和触发器,这些都是后来计算机的标准元件。除了没有存储程序的功能以外,它几乎体现或包括了现代计算机的一切主要概念和成分。ENIAC主频100 kHz,加法时间0.2 ms,乘法时间2.8ms。


        ENIAC制成以后,曾在莫尔学院用于数学、力学和核爆炸计算,显示了它的强大计算能力。1947年8月,ENIAC被运至阿伯丁试验基地运行,完 成了许多弹道计算和原子弹的计算问题,也曾用于天气预报、宇宙线研究和风洞设计。ENIAC工作了10年之久,1955年10月退役后保存在华盛顿特区的 史密逊安学会。


       ENIAC的伟大意义不但在于它是世界上第一台电子数字计算机,开启了计算机时代,而且还在于它培养和造就了世界上第一批计算机专业人才。除了主持 这个项目的埃克特、莫奇利和哥尔斯廷以外,参与ENIAC项目开发的绝大多数技术人员后来都成了计算机领域的专家和带头人,其中包括后来也获得计算机先驱 奖的儒科夫(H.Lukoff)、伯克斯(A.W.Burks)、赫斯基(H.D.Huskey)和华裔学者杰弗里·朱(Jeffery Chu)等。但在1946年2月16日ENIAC正式对外宣布和演示以后,当时的绝大多数媒体并未意识到这是标志着一个新时代来临的重大事件,有些媒体只 作了轻描淡写的报导,有些媒体甚至根本忽略了它。只有纽约时报(New York Times)看出了ENIAC对未来的某些意义,在封面上刊登了ENIAC的照片,在内页上刊登了它的两位主要发明者埃克特和莫奇利的照片,用的通栏标题 是“电子计算机闪电般给出解答,可加速工程发展”(Electronic Computer Flashes Answers,May Speed Engineering)。

 

注:协助开发的设计工程师团队包括罗伯特·F·肖(函数表)、朱传榘,榘[jǔ],同“矩” (除法器/平方-平方根器)、托马斯·凯特·夏普勒斯(主程序器)、阿瑟·伯克斯(乘法器)、哈利·Huskey(读取器/打印器),还有杰克·戴维斯(累加器)。

       

       前面已经提到,ENIAC还不是存储程序式的计算机,编程是通过手工插接线的方式进行的。还在ENIAC研制过程中,埃克特和莫奇利已经发现了这个 严重缺点,并开始研究解决这个问题。1944年1月29日,埃克特经过严密思考,写了一个有关磁盘计算机的报告,首次提出了将程序和数据都放在磁盘上的设 想,可以说是最早出现的存储程序思想。但由于此时ENIAC的设计已经定型,电路的试制和安装也已基本完成,未能将此思想在ENIAC上实现。后 来,1945年3月,计算技术的先驱冯·诺伊曼(John von Neumann,1903—1957)来到莫尔学院(他与奔波于阿伯丁实验室和莫尔学院之间的联络官哥尔斯廷一次在火车站上巧遇,得知ENIAC研制情况 产生兴趣而与莫尔学院建立联系的),与埃克特、莫奇利、哥尔斯廷、伯克斯等人进行了两天讨论,拟定了存储程序式的电子计算机的方案。其中,存储器采用水银 延迟线也是埃克特建议的。他们把这台计算机起名为EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)。方案经冯·诺伊曼整理后于1945年6月发表,但只署了冯·诺伊曼一个人的名字,这使埃克特与莫奇利十分恼火和不满。由于在专利权问 题上与学校产生分歧,埃克特和莫奇利在ENIAC完成后不久即辞职离开了莫尔学院,因此没有参与EDVAC的实际开发。这个代号为“PY” (Project Y)的工程由于种种原因拖到1952年才完工。EDVAC只用了3 600只电子管,占地面积不足ENIAC的1/3,几乎具备了现代电子计算机的一切特征,尤其是20世纪50年代的计算机,几乎都是在EDVAC的基础上 发展起来的,包括先于EDVAC问世的英国剑桥大学的EDSAC计算机


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        冯诺依曼做事其实很不地道,冯以前也是搞弹道学的。他学的是量子力学,但是找不到这方面的工作,找的工作就是弹道学


       大舰巨炮时代,原子物理可是找不到工作的,纯科学的专业就这样。


       他在柏林大学是希尔伯特的助手,但在柏林大学根本显不出来他,是美国这个环境让他脱颖而出的。德国的教职制度也是有问题的,他很早就来了美国。(冯来到普林斯顿,和康普顿的教育改革有关)


        战后不知道他处于什么样的考虑,那个署名问题。


        美国氢弹研制用的那台计算机就是仿 冯诺依曼在普林斯顿造的那一台,不是同一台,是类似的结构。军方项目不有的是钱嘛。


注:多说一点,清华当年可是没造出来计算机。但他们两人在这阶段的合作成果是研制出一种新型继电器, 并且改进了早期李-维纳网络并获得了1938 年两项美国专利。李郁荣是布什的学生,也是贝尔的。


        他不出名的原因是,二战爆发后,他被隔在日占区,二战结束后,一切都变了。他学的东西过时了,二战研发是一个很大的分水岭。


         当年布什这种分析机就没几台,美国仅有4台差分计算机,莫尔学院只有一台(政府资助的),另外三台中有1台在通用电 气公司,2台在MIT。剩下的就是挪威的奥斯陆大学、英国的曼彻斯特大学

        其实普通人应该感谢冯诺依曼,要不是他公开了那份方案,普通大众估计听都不会听说有计算机这回事。


        ENIAC是个独一无二的设计,从来没被复制过。1943年设计的冻结意味着,计算机设计缺乏创新,发展得不好,尤其是缺乏存储程序的能力。


        因为有缺陷,所以全世界就这一份儿。



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发表评论 评论 (2 个评论)

回复 coo 2014-2-6 11:48
战后不知道他处于什么样的考虑,那个署名问题- 都这德性。这个不说也罢。用句唐诗来概括:司空见惯浑闲事,断尽江南刺史肠。学术界跟外界木沙不一样,剽窃,排挤等等不上台面的事情。

说件我读博士时候的事情。我的方法文章发掉第一篇以后,然后小老板就让我去见一个大老板,拿着已经接收了的PAPER要求审读,我当时那个笨啊,把这件事情搞砸掉了。
回复 天马行空 2014-2-6 16:23
长知识了。谢谢

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