Инноваторы. Как несколько гениев, хакеров и гиков совершили цифровую революцию

.

Тьюринг действительно предпочитал вести одинокий образ жизни. Временами из-за своей гомосексуальности он чувствовал себя чужим везде; он жил один и избегал серьезных личных отношений. В какой-то момент он предложил брак девушке-коллеге, но потом был вынужден признаться ей, что он гей; она не пришла в ужас и по-прежнему готова была выйти за него замуж, но он полагал, что это будет обманом, и решил дать задний ход. Тем не менее он не стал “законченным отшельником”. Он научился работать с другими сотрудниками в команде, что явилось ключевым обстоятельством, позволившим его абстрактным теориям превратиться в реальные, значимые изобретения.

В сентябре 1936 года, в ожидании опубликования своей статьи, двадцатичетырехлетний докторант плыл в Америку в каюте для пассажиров третьего класса на борту старенького океанского лайнера RMS Berengaria, прихватив с собой ценный латунный секстант. Его кабинет в Принстоне находился в здании математического факультета, который и тогда размещался в Институте перспективных исследований, где царили великие Эйнштейн, Гёдель и фон Нейман. Любящий новые знакомства и очень общительный фон Нейман особенно заинтересовался работой Тьюринга, хотя в человеческом плане они были очень разными.

Поистине тектонические сдвиги и почти одновременные открытия 1937 года не были напрямую связаны с публикацией статьи Тьюринга. На самом деле, вначале она не привлекла к себе внимания. Тьюринг попросил свою мать отправить оттиски его статьи философу и математику Бертрану Расселу и полудюжине других известных ученых, но единственный серьезный отзыв написал Алонзо Чёрч, который мог позволить себе дать лестную рецензию, поскольку он раньше Тьюринга решил проблему Гильберта. Чёрч был не только щедр – именно он ввел термин “машина Тьюринга” для мысленного эксперимента, который Тьюринг назвал “Логической вычислительной машиной”. Таким образом, в двадцать четыре года Тьюринг заработал себе имя за разработку одной из важнейших концепций цифровой эры

.

Клод Шеннон и Джордж Роберт Стибиц из Bell Labs

В 1937 году произошел еще один значительный прорыв в теории компьютеров, похожий на изобретение машины Тьюринга тем, что это был чисто мысленный эксперимент. Автором его был аспирант Массачусетского технологического института Клод Шеннон, который в том же году представил самую значительную дипломную работу за все время, которую Scientific American позже назвал “Magna Carta[11 - В прямом смысле – Великая хартия вольностей, в переносном – основополагающие принципы.] эпохи информации”

.

Шеннон вырос в маленьком городке штата Мичиган, где он строил модели самолетов и собирал любительские радиоприемники, а позже отправился в Мичиганский университет учиться электротехнике и математике. На старшем курсе он откликнулся на объявление, висевшее на доске, о том, что в МТИ в группу, возглавляемую Вэниваром Бушем, требуется помощник для работ по запуску дифференциального анализатора. Шеннон получил работу и был заворожен этой машиной – не столько валиками, шкивами и колесами, которые являлись аналоговыми элементами, сколько электромагнитными переключателями – реле, которые были частью цепи управления. Когда электрические сигналы заставляли их щелчком открываться и с треском закрываться, переключатели меняли конфигурацию цепей.

Летом 1937 года Шеннон взял отпуск в МТИ и поступил на работу в Bell Labs – научно-исследовательский центр, находящийся в ведении компании AT&T[12 - Первоначальное название – Американская телеграфная и телефонная компания, в настоящее время – Американская телекоммуникационная корпорация.В момент прихода Шеннона туда на работу эта часть компании называлась Bell Telephone Laboratories, Inc.]. Лаборатории тогда находились на Манхэттене, в той части района Гринич-Виллидж, которая выходит на Гудзон. Это место идеально подходило для превращения идей в изобретения: абстрактные теории сталкивались там с практическими проблемами, а в коридорах и кафе эксцентричные теоретики спорили с инженерами-практиками, грубоватыми механиками и деловитыми менеджерами, и в результате теория и технология взаимно обогащали друг друга. Это сделало Bell Labs примером организации, где были созданы условия, способствующие появлению инноваций цифровой эры, которые гарвардский историк науки Питер Галисон назвал “торговой зоной” или “зоной обмена”. Когда разрозненные практики и теоретики оказывались вместе, они учились находить общий язык, с помощью которого можно было обмениваться идеями и информацией

.

В Bell Labs Шеннон увидел вблизи удивительные возможности схем телефонных систем, где использовались электрические переключатели для маршрутизации вызовов и балансировки нагрузок. Мысленно он начал примерять эти схемные решения к другой привлекавшей его области – к логическим системам, сформулированным за девяносто лет до этого британским математиком Джорджем Булем. Буль революционизировал логику, найдя способы выражения логических выражений в виде символов и уравнений. Он присвоил истинным утверждениям значение i, а ложным – о. Тогда последовательность, составленную из базовых логических операций, таких как “и” (and), “или” (or), “не” (not), “и/или” (either/or), “если/то” (if/then), можно выполнить, используя эти утверждения, так же, как если бы они были математическими уравнениями.

Шеннон понял, что электрические схемы могут выполнять эти логические операции, используя различные комбинации двухпозиционных переключателей (с режимами “включено”/“выключено”). Для выполнения операции “и”, например, нужно два переключателя расположить последовательно, так что для того, чтобы пошел ток, оба должны быть в положении “включено”. Чтобы выполнить операцию “или”, переключатели должны быть расположены параллельно, так, чтобы электрический ток тек, если один из них находится в положении “включено”. Чуть более универсальные переключатели, называемые логическими затворами или вентилями, могли бы ускорить процесс. Другими словами, можно было сконструировать схему, содержащую много реле и логических затворов, которые могли бы выполнять шаг за шагом последовательность логических задач.

(Реле – это просто переключатель, который может открываться и закрываться с помощью электричества, например с помощью электромагнита. Те реле, которые механически – щелчком – открываются, а закрываются с помощью электричества, иногда называются электромеханическими, потому что они имеют подвижные части. Электронные лампы и транзисторы также можно использовать в качестве переключателей в электрической цепи, их называют электронными, потому что они управляют потоком электронов, но никакие физические части в них не движутся. “Логический затвор” – это переключатель, который может иметь один или несколько входов. Например, в случае двух входов логический элемент “и” переключается в положение “включено”, если оба входа находятся в позиции “включено”, а логический элемент “или” переходит в состояние “включено”, если какой-нибудь из входов находится в положении “включено”. Концептуальный прорыв Шеннона состоял в том, что он понял, как они могут быть соединены друг с другом в схемах, чтобы с их помощью можно было решать задачи булевой алгебры.)

Когда осенью Шеннон вернулся в МТИ и рассказал о своих идеях Бушу, тот был восхищен ими и предложил ему включить их в дипломную работу. Шеннон так и поступил, назвал ее “Символический анализ релейных и переключательных схем” и показал, как может быть выполнена каждая из многочисленных операций булевой алгебры. В конце он резюмировал: “Выполнять сложные математические операции с помощью релейных цепей вполне возможно”

. Это стало базовой концепцией, лежащей в основе всех цифровых компьютеров.

Идеи Шеннона заинтересовали Тьюринга, потому что они оказались тесно связаны с его только что опубликованной концепцией универсальной машины, которая могла использовать простые команды, выраженные в двоичном коде, для решения не только математических, но и логических задач. Кроме того, поскольку логика работает по тем же законам, что и человеческий мозг, машина, выполняющая логические задачи, теоретически могла бы имитировать ход мысли людей.

В Bell Labs в то же время работал математик Джордж Роберт Стибиц, в чьи обязанности входило разбираться со все более сложными расчетами, требовавшимися инженерам-телефонистам. Единственными инструментами в его распоряжении были механические настольные арифмометры, и он решил придумать что-то получше, основываясь на шенноновских идеях о возможностях электронных схем решать математические и логические задачи. Однажды поздним ноябрьским вечером он пошел на склад и взял несколько старых электромагнитных реле и электрических ламп. На столе своей кухни с помощью этих деталей, железной коробочки из-под табака и нескольких переключателей он собрал простую логическую схему, которая могла суммировать бинарные числа. Загоревшаяся лампа представляла собой 1, а потухшая – 0. Его жена окрестила схему K-Model – в честь кухонного стола. На следующий день он взял схему в офис и попытался убедить своих коллег, что, будь у него достаточно реле, он мог бы сделать вычислительную машину.

Одной из важных задач Bell Labs было найти способ усиливать передаваемые на большие расстояния телефонные сигналы и при этом отфильтровывать постоянный фон. У инженеров были формулы, в которые входили амплитуды и фазы сигнала, и в решения этих уравнений иногда входили комплексные числа (включающие мнимую часть, пропорциональную квадратному корню из -1). Руководитель Стибица спросил его, сможет ли машина оперировать комплексными числами. Когда он ответил, что это возможно, руководитель одобрил идею и дал ему в помощь группу для строительства такой машины. Машину назвали калькулятором комплексных чисел, и ее создание было завершено в 1939 году. В ней было более четырехсот реле, каждое из которых могло включаться и выключаться двадцать раз в секунду. Это сделало ее потрясающе быстродействующей по сравнению с механическими калькуляторами и мучительно медлительной по сравнению со схемами, собранными полностью из электронных ламп, которые как раз в то время изобрели. Компьютер Стибица не был программируемым, но он показал, что схемы на реле могут обращаться с бинарной математикой, обрабатывать информацию и выполнять логические операции

.

Говард Айкен

А в это же время в 1937-м аспирант из Гарварда по имени Говард Айкен пытался сделать утомительные расчеты для своей диссертации по физике, используя арифмометр. Когда он стал уговаривать университет построить более сложный компьютер для ускорения работы, декан его факультета вспомнил, что на чердаке научного центра Гарвардского университета валялись какие-то медные колесики, оставшиеся от устройства вековой давности, похожие на то, о чем говорил Айкен. Когда Айкен обследовал чердак, он нашел одну из шести демонстрационных моделей разностной машины Чарльза Бэббиджа, которую в нескольких экземплярах изготовил сын Бэббиджа Генри. Айкен пришел в восторг от идей Бэббиджа и перенес набор медных колесиков в свой кабинет. “У нас было два колесика Бэббиджа, – вспоминал он, – это были колеса, которые я позже вмонтировал в корпус своего компьютера”

.

Той осенью, как раз когда Стибиц готовил свою демонстрационную кухонную модель, Айкен написал двадцатидвухстраничную служебную записку своим гарвардским руководителям и специалистам из IBM, пытаясь их уговорить профинансировать современную версию цифровой машины Бэббиджа. Его записка начиналась словами: “Желание сэкономить время и умственные усилия при арифметических вычислениях, а также устранить ошибки, к которым склонен человек, вероятно, так же старо, как сама наука арифметика”

.

Айкен вырос в штате Индиана, и детство у него было трудное. Как-то раз, когда ему было двенадцать лет, ему пришлось кочергой защищать мать от пьяного отца, который потом бросил семью. Поэтому юный Говард был вынужден уйти из школы в девятом классе – нужно было зарабатывать. Сначала он устроился телефонным мастером, затем нашел ночную работу в местной энергетической компании, а днем посещал технический колледж. Он своими руками добился успеха, но у него испортился характер. С подчиненными он вел себя как надсмотрщик, позволяющий себе не сдерживаться. Про него говорили, что он похож на надвигающуюся грозу

.

В Гарварде мнения по поводу создания предлагаемой Айкеном вычислительной машины разошлись. В вопросе о предоставлении ему постоянной должности профессора также не было единства, поскольку его деятельность, казалось, больше относилась к области технологии, чем науки. (У некоторой части преподавательского сообщества Гарварда считалось оскорбительным называть кого-то практиком, а не ученым.) Но Айкена поддержал президент университета – Джеймс Брайант Конант, которому, как председателю Национального исследовательского комитета обороны США, хотелось продемонстрировать, что Гарвард участвует и в научных, и в промышленных, и в военных разработках. Сотрудники физического факультета, однако, были большими пуристами, чем президент. Декан факультета в декабре 1939 года написал Конанту, что машину “можно создать, если найдутся деньги, но это не более важная задача, чем многие другие”, а факультетский комитет заявил относительно Айкена: “Ему нужно дать понять, что подобная деятельность не увеличит его шансы на соискание профессорского звания”. В конце концов Конант одержал верх и дал указание Айкену заниматься машиной

.

В апреле 1941 года, когда по чертежам Айкена в лаборатории IBM в Эндикотте (штат Нью-Йорк) был создан компьютер Mark I, Айкен покинул Гарвард и отправился служить в ВМС США. Два года он преподавал в Военно-морской военной минной школе в штате Вирджиния в звании капитан-лейтенанта. Один коллега описал его как “вооруженного до зубов формулами длиной с комнату и теориями” гарвардского ученого, который напоролся “на ораву южан-тупиц”, ни один из которых “не имел понятия об исчислении”

. Большую часть времени он проводил в раздумьях о машине Mark I и иногда надевал парадную военную форму и отправлялся в Эндикотт

.

Служба дала ему одно важное преимущество: в начале 1944 года, когда IBM собиралась отправить готовый Mark I в Гарвард, Айкен смог убедить командование ВМС принять машину на свой баланс и назначить его ответственным за нее. Это помогло ему обойти академическую бюрократию Гарварда, которая все еще упрямо не хотела предоставлять ему постоянную ставку профессора. Гарвардская расчетная лаборатория стала на время военным объектом, и все сотрудники Айкена были военнослужащими ВМС, носившими на работе форму. Он называл их своим “экипажем”, они называли его “командиром”.

В конструкции Mark I позаимствовано много идей у машины Бэббиджа. Он тоже был цифровым, хотя и не двоичным, его колесики имели десять позиций. Вдоль его пятнадцатиметрового вала располагалось семьдесят два счетчика, которые могли запоминать числа длиной до двадцати трех разрядов, в окончательном виде он весил пять тонн, имел примерно двадцать пять метров в длину и семнадцать в ширину. Вал и другие движущиеся части поворачивались с помощью электрических двигателей. Но он был медлительным. Вместо электромагнитных реле в нем использовались механические, которые открывались и закрывались с помощью электрических моторчиков, и это означало, что требовалось около шести секунд, чтобы проделать операцию умножения. Для сравнения, в машине Стибица для этого требовалась одна секунда. Mark I, однако, обладал одной замечательной особенностью, которая станет одной из основных черт современных компьютеров: он был полностью автоматическим. Программы и данные вводились с помощью бумажной ленты, и она могла работать в течение нескольких дней без какого-либо участия человека. Это дало Айкену право провозгласить, что “мечта Бэббиджа сбылась”

.

Конрад Цузе

Тем временем в 1937 году немецкий инженер дома собирал свою машину, и он опередил всех остальных изобретателей, хотя они и не подозревали об этом. Конрад Цузе заканчивал конструировать прототип двоичного калькулятора, который мог читать инструкции с перфоленты. Однако по крайней мере первая версия машины, названной им Zi, была не электрической и не электронной, а механической.

Как и многие инноваторы цифровой эры, Цузе с детства обожал и искусство, и технику. После окончания технического колледжа он получил работу инженера-прочниста в самолетостроительной компании в Берлине, и ему пришлось решать линейные уравнения, которые включали все виды нагрузки, силы и коэффициенты упругости. Даже при использовании механических калькуляторов одновременно решить больше шести линейных уравнений с шестью неизвестными менее чем за день человеку было почти невозможно. А если бы в уравнениях было двадцать пять переменных, это могло занять год. И потому Цузе, как и многие другие, загорелся идеей механизировать утомительный процесс решения математических уравнений. Он превратил гостиную своих родителей в квартире, расположенной вблизи берлинского аэропорта Темпельхоф, в мастерскую

.

В первой версии машины Цузе двоичные числа запоминались с помощью тонких металлических пластин с штырьками и прорезями, которые он и его друзья делали ножовкой. Сначала данные и программы вводились с помощью перфолент, но вскоре он перешел на использованную 35-миллиметровую кинопленку, которая оказалась не только прочнее, но и дешевле. Его компьютер Zi был завершен в 1938 году, и он смог справляться с несколькими проблемами, хотя и работал не очень надежно, поскольку все его компоненты были сделаны вручную и часто давали сбои. К сожалению, Цузе работал в условиях, непохожих на условия в Bell Labs, он не мог работать рука об руку с инженерами.

Однако Zi показал, что теоретически логическая концепция Цузе работоспособна. Его друг по колледжу Гельмут Шрайер предложил сделать следующую версию машины, использовав электронные лампы вместо механических переключателей. Если бы они занялись этим сразу, то вошли бы в историю как первые изобретатели работающего современного компьютера: бинарного, электронного и программируемого. Но Цузе, а также эксперты, с которыми он консультировался в техническом колледже, отказались от создания устройства с почти двумя тысячами электронных ламп из-за его дороговизны

.

И друзья решили для Zi вместо электронных ламп использовать подержанные электромеханические реле, которые приобрели в телефонной компании: они были крепче и дешевле, хотя намного медленнее. В результате появился компьютер, в котором для арифметической ячейки использовалось реле. Тем не менее блок памяти был механическим, использующим подвижные штырьки в металлической пластине.

В 1939 году Цузе начал работу над третьей моделью – Z3, в которой использовались электромеханические реле как для арифметического устройства, так и для блоков памяти и управления. В 1941 году она была завершена и стала первым полностью работающим универсальным программируемым цифровым компьютером. И даже хотя в нем не был заложен способ напрямую совершать условные переходы и ветвление в программах, он теоретически мог работать как универсальная машина Тьюринга. Его главное отличие от более поздних компьютеров состояло в том, что в нем использовались неповоротливые электромагнитные реле, а не электронные компоненты, такие как электронные лампы или транзисторы.

Друг Цузе Шрейер продолжал писать докторскую диссертацию под названием “Реле на лампах и методы их переключения”, в которой описывался способ создания мощного и быстрого компьютера на электронных лампах. Но когда они с Цузе в 1941 году предложили его немецкой армии, командование заявило, что для создания машины потребуется около двух лет, а они уверены, что они выиграют войну раньше

. Военных больше интересовало производство оружия, а не компьютеров. В результате Цузе оторвался от своей работы по конструированию компьютеров и отправился обратно на завод по сборке самолетов. В 1943 году, когда начались бомбардировки Берлина союзниками, его компьютеры и чертежи были уничтожены.

Цузе и Стибиц, работая независимо друг от друга, пришли к использованию реле в схемах, которые могли делать двоичные вычисления. Как они могли в одно и то же время прийти к этой идее, когда контакты между этими двумя группами из-за войны были невозможны? Частично ответ состоит в том, что технологический и научный прогресс привели к тому, что момент настал.

Как и многие другие инноваторы, Цузе и Стибиц были знакомы с использованием реле в телефонных схемах, и было логично применять их для бинарных операций в математике и логике. Кроме того, Шеннон, который также был хорошо знаком с телефонными схемами, теоретически доказал, что с помощью электронных схем можно выполнять логические задачи булевой алгебры. Идея использования цифровых схем в качестве ключевых элементов вычислительной техники вскоре была воспринята исследователями практически везде, даже в таких богом забытых местах, как штат Айова.

Джон Винсент Атанасов

В 1937 году другой изобретатель, находившийся далеко и от Цузе, и от Стибица – в Айове, также экспериментировал с цифровыми схемами. Имя изобретателя – Атанасов, он напряженно работал в своем подвале, где и произошел очередной исторический прорыв: он создал вычислительное устройство, в котором использовались электронные лампы, по крайней мере в части схем. В каком-то смысле его машина была менее продвинутой, чем другие, – она не была ни программируемой, ни универсальной. Она не была и полностью электронной, поскольку в ней использовались некоторые медленно движущиеся механические элементы. И хотя он построил модель, которая теоретически могла производить расчеты, он так и не смог заставить ее надежно работать. Тем не менее Джон Винсент Атанасов, которого жена и друзья называли Винсентом, заслуживает чести называться первопроходцем, поскольку он придумал первый частично электронный цифровой компьютер. Однажды декабрьским вечером в 1937 году, когда он долго мчался непонятно куда на машине с бешеной скоростью, он вдруг понял, как создать такой компьютер