Евгений Киселев Общеизвестно, насколько Вторая мировая война стимулировала технический прогресс. Правда, касаясь этой сферы, чаще всего вспоминают атомную энергию, реактивную авиацию, баллистические ракеты (и как следствие – освоение космоса)... Но почти ничего не говорят о компьютерах.
СВЕРХСЛОЖНАЯ «ЗАГАДКА»
Появление компьютеров в Великобритании имело единственную причину – срочно требовалось облегчить титаническую работу криптоаналитиков. Они пытались прочесть сообщения, текст которых проходил через шифровальные машины типа «Энигма» (от древнегреческого «загадка»), широко использовавшихся во всех видах вооруженных сил Германии в течение всей войны.
Внешне эти машины (применялись с 1926 года) напоминали большие кассовые аппараты с автономным электропитанием. В «Энигме», как на обычной пишущей машинке, имелось три ряда клавиш с 26 буквами латинского алфавита, а над клавиатурой были расположены соответственно три ряда лампочек-индикаторов. На передней панели размещались три (позднее четыре) так называемых ротора, которые представляли собой зубчатые колеса с нанесенными по ободу буквами. Через ротор проходили провода, соединяющие 26 контактов на одной стороне ротора с таким же числом контактов на другой его стороне.
Зашифровка каждой буквы производилась путем прохождения электрических импульсов через систему роторов. Пройдя через три ротора, сигнал попадал на рефлектор – устройство, которое посылало сигналы обратно через те же роторы, но по другому пути. Кроме того, в 1930 году «Энигма» была модернизирована за счет введения штепсельной панели из 26 пар розеток и штепселей, позволяющей производить еще одну перестановку до поступления сигнала на систему роторов.
Следовательно, ключами к «Энигме» являлись:
– первоначальное расположение роторов;
– установка вращающихся роторов в определенную позицию;
– соединение пар розеток при помощи шнуров с вилками.
То есть общее количество возможных ключей выражалось числом из 92 знаков. Кроме того, периодически происходила смена ключей, а любое сообщение должно было содержать не менее десяти групп по пять букв в каждой, что затрудняло дешифровку математическими методами. На протяжении последующих лет немцы продолжали улучшать и совершенствовать первые варианты «Энигмы», повышая надежность засекречивания, и наибольших успехов в этом достигли шифровальщики военно-морских сил.
Перед дешифровальными службами союзников при попытках вскрыть немецкие шифры вставали неимоверные трудности. Проведенные англичанами перед войной теоретические исследования показали, что если шифратор использовался правильно, то вскрыть ключи математическими методами невозможно.
Существуют несколько версий раскрытия тайны «Энигмы», но их разбор в замысел автора не входит. Надо только отметить одно – в распоряжении британцев оказался один экземпляр машины, и это облегчило работы, проводившиеся с августа 1939 года в местечке Блечли-Парк в 80 км севернее Лондона, где находилась Правительственная школа шифрсвязи и дешифровки. Здесь была собрана группа виднейших ученых, инженеров, специалистов-криптографов, большинство из которых окончили Кембридж. Там трудились такие выдающиеся математики того времени (и британцы, и американцы), как Алан Тьюринг, Джеймс У. Александер, Милнер Барри, Гордон Уэлчмен.
Тьюринг, например, создал схему электромеханического устройства «Агнес» (имевшего релейную память и электромагнитные барабаны), которое моделировало эффект роторов «Энигмы» с помощью вращающихся барабанов. Этот прибор работал методом проб и ошибок, перебирая всевозможные комбинации символов, пока наконец не возникал осмысленный текст. Со временем были построены десятки таких машин, которые обслуживали около 1200 женщин из вспомогательной службы ВМС. Всего же в проекте, именовавшимся «Ультра», к концу войны оказалось занято 10 тыс. человек.
Тем не менее необходимо констатировать: большая часть британских успехов в дешифровке связана не с усилиями Блечли-Парка, а достигнута благодаря случайностям или спланированным силовым акциям. Например, в апреле 1940 года на сбитом у берегов Норвегии немецком самолете была найдена «Энигма» с комплектом ключей. Чуть позже еще одну шифровальную машину удалось отбить во Франции у германского танкового подразделения, вырвавшегося слишком далеко вперед. Это очень помогло Блечли-Парку при вскрытии кодов люфтваффе, что сыграло большую роль во время «Битвы за Англию».
Но еще более важным считался «взлом» военно-морских кодов противника, так как британцы несли большие потери от немецких подводных лодок. Теперь за «Энигмами» стали целенаправленно охотиться. Первая попытка не увенчалась успехом: 23 февраля 1941 года экипаж германского вооруженного траулера «Кребс», поняв, что их судно вот-вот попадет в руки англичан, успел выбросить в море шифровальную машину вместе с шифрами. Однако уже 7 мая в Северной Атлантике британский эсминец захватил траулер «Мюнхен», проводивший метеонаблюдения, вместе с ключами для «Энигмы» на месяц, а 9 мая у Гренландии была взята на абордаж подводная лодка U-110, на борту которой британцы нашли саму «Энигму» и полный комплект инструкций к ней.
В результате с июля по декабрь 1941 года любой ключ для «Энигмы» на месяц вскрывался в Блечли-Парк за два дня. Если же ключ был слишком труден, санкционировалась своего рода утечка информации – до немцев доводился определенный текст, который затем пытались «выудить» из зашифрованных «Энигмой» сообщений.
Но главное – в конце 1943 года был построен настоящий компьютер на электровакуумных лампах вместо механических реле. Это огромное сооружение с 2 тыс. ламп его создатели заслуженно назвали «Колоссом». Закодированные немецкие радиограммы вводили в него на перфоленте (пять считывающих устройств обеспечивали скорость ввода 25 тыс. символов в секунду).
НЕДООЦЕНЕННОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
В Германии к созданию вычислительных машин приступили задолго до войны, но это было больше связано с инициативой энтузиаста-одиночки, чем с государственным заказом. Еще в 1934 году 23-летний студент Высшей технической школы Берлин-Шарлоттенбург Конрад Цузе придумал новое устройство, архитектура и принципы работы которого в общих чертах совпадали с современными цифровыми компьютерами. Это устройство имело (тогда еще теоретически) управляющий блок, вычислитель (объединяющий арифметические и логические операции, то есть процессор) и память.
Цузе тогда полагал, что работа компьютера должна быть основана на следующих шести принципах:
1) программное управление;
2) двоичная система счисления;
3) арифметика с плавающей точкой;
4) полностью автоматические арифметические вычисления;
5) память большой емкости;
6) элементы, действующие по принципу да/нет.
Именно Конрад Цузе первым понял, что основой компьютерной обработки данных должен быть бит (он назвал его «да/нет статус»). Это означает, что любые вычисления можно производить, основываясь на элементах, имеющих два физических состояния (замкнуто и разомкнуто). Цузе также ввел понятие условных суждений для формул двоичной алгебры и придумал «машинное слово».
В 1935 году Цузе получил диплом и начал трудиться в авиастроительной фирме «Хеншель», где занимался аэродинамическими расчетами. Они требовали большого объема вычислений, тогда как помочь в этом могли только механические арифмометры лишь с арифметическими операциями. Все это стимулировало продолжение «компьютерного проекта» вчерашнего студента. Он решил самостоятельно изготовить программируемое устройство, работающее с двоичными числами, в котором блок управления и процессор отделены от блока памяти.
Цузе ушел из «Хеншеля» и полностью посвятил себя созданию нового вычислительного прибора. В 1936 году было сделано и запатентовано механическое запоминающее устройство, основанное на двоичных элементах (подвижных металлических планках). В том же году в небольшой комнате квартиры своих родителей Цузе начал строить свой первый компьютер V-1 («Versuchsmodell-1», что означает «опытная модель»), позже нареченный Z1 – в честь конструктора.
В 1938 году Z1 был готов. Но этот экспериментальный или демонстрационный образец не обладал способностью решать серьезные практические задачи из-за небольшого объема памяти и ненадежного механического процессора. Арифметический модуль Z1 мог работать с числами с плавающей запятой (фактически они состояли из двух чисел: одно представляло собой 16-разрядную мантиссу, другое – 7-разрядную экспоненту), осуществлял преобразования двоичных чисел в десятичные и обратно и поддерживал ввод и вывод данных. Устройство ввода с помощью перфорированной киноленты сделал друг Цузе – бывший киномеханик Хельмут Шрейер. Результаты расчетов показывались с помощью электрических ламп.
Несмотря на все свое несовершенство, Z1 позволил Цузе получить должность и поддержку в Германском авиационно-исследовательском институте. Используя ту же память, Конрад к апрелю 1939 году построил следующую модель компьютера (Z2), имевшую процессор на электромеханических телефонных реле (пришлось купить у телефонных компаний 600 списанных реле).
После этого успеха конструктора на год призвали в армию. Отслужив, он вернулся в институт. В то время реле были доступны Цузе в большом количестве, и он решает собрать на них серьезную машину, с той же архитектурой, что и Z1. Эта машина – Z3 – была официально «сдана» 5 декабря 1941 года, и автор получил на нее патент.
Z3 – первый универсальный свободно программируемый цифровой компьютер с идеологией, которая используется поныне. На его структурной схеме можно наглядно увидеть, что Z3 удивительно близок к современным компьютерам. Двоичная память вмещала 64 22-битных числа с плавающей запятой (14 бит на мантиссу, 7 бит на экспоненту и 1 бит на знак) и была соединена с процессором (арифметическим устройством) шиной данных, передававшей отдельно экспоненту и мантиссу числа. Процессор, обрабатывавший двоичные числа с плавающей точкой, связывался шиной с десятичными устройствами ввода-вывода: четырехкнопочной клавиатурой и ламповой панелью. Устройство управления содержало контур для каждой команды и синхронизировало работу всех компонентов. Тактовая частота составляла примерно 5,3 Гц. Программа набивалась на перфоленте, представлявшей собой кинопленку, с использованием девяти 8-битных команд (ввод, вывод, чтение из памяти, запись в память, квадратный корень и четыре арифметические операции). На практике команды Z3 не позволяли реализовать условный переход, и это считается сегодня главным недостатком «детища» Цузе. Однако теоретически (это показано в работах современных исследователей) универсальность Z3 ограничивалась только объемом памяти для хранения данных.
На изготовление Z3 ушло около 2600 реле, в том числе 1800 на память и 600 на процессор. Компьютер выполнял не только 4 арифметических операции, но и вычисление квадратного корня, умножение на –1. Z3 выполнял 3–4 операции сложения в секунду и умножал два числа за 4–5 секунд, позволяя при этом обрабатывать числа с плавающей запятой. Машина потребляла мощность примерно 4 кВт. По тем временам она (как и все машины Цузе) могла считаться портативной: весила около тонны, ее размеры были в десятки раз меньше английских и американских аналогов. Следует отметить, что Цузе не применял в своих машинах в качестве элементов вакуумные лампы только из-за нехватки свободного места и недостаточного финансирования.
Казалось бы, сделано уже достаточно, чтобы не только обеспечить себе место в истории, но и проводить практические расчеты. Однако из-за небольшого объема памяти на Z3 нельзя было решать, в частности, системы линейных уравнений, а институту это требовалось (ведь шла война и объем работ существенно вырос, а сроки их выполнения, наоборот, уменьшились), и Цузе решил создать более мощный и совершенный компьютер. Прекрасно понимая, что главное – это большой объем оперативной памяти, он решил, что она должна иметь емкость хотя бы 1024 бита. Предполагалось, что новый компьютер будет оснащен двумя перфораторами и 6 считывателями перфоленты (в том числе для подпрограмм), а также автоматическим печатающим устройством. Компьютер должен был также иметь расширенный набор команд, которые позволяли бы выполнять условные переходы и перевод адреса.
Увы, к разочарованию Цузе руководство нацистской Германии не финансировало долгосрочные научные разработки. Вот почему Z4 удалось запустить лишь к самому концу войны (к тому времени при бомбежке погиб Z3). Вдобавок Цузе сумел построить несколько меньших специализированных компьютеров, применявшихся для расчетов различных параметров реактивных самолетов и ракет (для определения траекторий полета ракет, для математического моделирования их систем управления и т.п.).
Из-за сложной военной обстановки Z4 приходилось перевозить с места на место. 28 апреля в подземном сооружении в горах Гарца Цузе продемонстрировал его ведущим немецким аэродинамикам (в числе которых были Людвиг Прандтль и Альберт Бетц). В конце концов Z4 удалось спасти только благодаря сотрудникам Вернера фон Брауна, которые спрятали его в сарае в одной из альпийских деревень так, что американцы его не нашли. Z4 имел процессор из 2200 реле, механическую память из 64 32 разрядных слов (планировалась память на 500 слов), два устройства для перфорации/считывания перфоленты, десятичную клавиатуру, устройство вывода в виде электрической пишущей машинки Mercedes. Он работал на частоте 30 Герц, а весил и потреблял энергии приблизительно как Z3. В каком-то смысле это был персональный компьютер, так как его обслуживание было простым и, главное, он легко программировался одним человеком. Для программирования Z4 на решение типичной задачи требовалось около трех часов.
Z4 намного пережил страну, для которой был создан, – претерпев после войны несколько незначительных модификаций, в 1950 году он был установлен в Высшей технической школе в Цюрихе, где проработал почти без перерывов в течение пяти лет над вполне реальными проектами (это был один из двух работавших тогда в Европе компьютеров, вторым была МЭСМ Сергея Лебедева). Затем он был перевезен во Францию, где работал еще примерно столько же. В настоящее время Z4 можно увидеть в Мюнхенском Deutsche Museum. Таким образом, заложенных Цузе идей оказалось вполне достаточно для 10 послевоенных лет, когда технический прогресс (а особенно развитие компьютеров) отнюдь не стоял на месте.
Но Цузе работал не только над компьютерами. С 1942 года он вынашивал идею алгоритмического языка программирования (не хочу раздражать читателей повторением давно известных им вещей, но вряд ли кто из них поспорит с тем, что язык программирования так же важен, как аппаратная часть компьютера). Через несколько месяцев после окончания войны Цузе разработал алгоритмический язык для инженерных расчетов. Он назвал его Plankalkul. В Plankalkul вводилось понятие объекта, он позволял работать с подмассивами данных, подпрограммами и даже с массивами программ. Цузе придумал оператор присваивания и определил для него отдельный знак. По уровню Plankalkul соответствовал распространенному в 1960–1970-е годы языку ALGOL 60/68.
АМЕРИКАНСКИЕ МОНСТРЫ
В январе 1941 года в газете «Де Мойн Трибюн» появилась заметка, сообщавшая о том, что доктор Джон Атанасов, профессор физики колледжа Айовы, строит электронно-вычислительную машину, «которая по принципу своей работы ближе человеческому мозгу, чем любая другая». Работы Атанасова финансировался экспериментальной сельскохозяйственной станцией колледжа Айова, предполагавшей использовать машину для решения сельскохозяйственных задач.
На заметку обратил внимание Джон Моучли, который также занимался конструированием ЭВМ. Он выехал на место работ и в июле 1941 года пять дней гостил у Атанасова, наблюдая, как тот со своим помощником Клиффордом Бери трудился над компьютером с 300 электронными лампами. Через год Моучли написал предложение о создании быстродействующего компьютера на электронных лампах, которым со временем заинтересовалась армия, нуждавшаяся в новых баллистических таблицах, создание которых требовало огромного объема вычислений (до 750 операций умножения для вычисления одной траектории, а их на каждую из таблиц требовалось не менее 2000). В результате 9 апреля 1943 года армия заключила с Высшим технологическим училищем Пенсильванского университета контракт на постройку компьютера ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный цифровой интергатор и вычислитель).
Но пока Моучли работал, в августе 1944 года прессе был представлен Mark I – машина для расчета баллистических таблиц, которую по контракту с IBM построил математик Говард Эйкен. Основными ее элементами были зубчатые колеса (для представления чисел) и электромеханические реле (для управления процессом вычислений), весила она 5 тонн и, будучи 17 м длиной и 2,5 м в высоту, занимала в Гарвардском университете площадь в несколько десятков квадратных метров.
Машина имела 72 регистра, каждый из которых представлял собой устройство из 24 зубчатых колес с механизмом передачи десятков к другому регистру. 23 колеса служили для представления числа, одно – для его знака. Отдельно для констант была предусмотрена механическая память из 60 регистров. Для операций умножения и деления, а также для вычисления синуса, натурального логарифма и показателя степени, использовались отдельные вычислительные блоки. Гарвардский Mark I работал по программе, которую считывал с перфорированной ленты. Собственно, это был не столько компьютер, сколько усовершенствованный арифмометр, заменявший труд примерно 20 операторов с обычными ручными арифмометрами. Но, несмотря на это, некоторые исследователи, полагающие, что США должны быть первыми во всем, считают Mark I первым работавшим компьютером.
В конце 1945 года ENIAC был собран и подготовлен к проведению первого официального испытания. Он представлял собой гигантское сооружение – 30-тонная машина с 17 468 электронными лампами, 26 м в длину и 6 м в высоту. Правда, война, ради которой создавался ENIAC, уже успела закончиться, но задача, поставленная на первом испытании, – расчеты для подтверждения возможности создания водородной бомбы – ясно показывала, что необходимость в компьютерах не исчезла.
Судебные процессы занимают важное место в жизни американцев. Не обошлось без них и в сфере компьютеров – Атанасов и Моучли долго оспаривали друг у друга приоритет, пока в 1973 году федеральный суд США не подтвердил авторское право Атанасову.
А ЧТО ЖЕ СССР?
В 1931 году в Советском Союзе открывается первая кафедра, готовившая специалистов по вычислительным устройствам, – приборов управления стрельбой Ленинградского электротехнического института (в 1938–1939 годах в Ленинграде и Москве возникают еще две аналогичные кафедры). В 1941 году под руководством Израиля Акушского организуется первая в СССР вычислительная лаборатория – прообраз будущих вычислительных центров. Таким образом, до войны СССР мало чем уступал другим странам в области ЭВМ, но война приостановила дальнейшие работы.
Лишь в 1945 году будущий академик АН СССР Сергей Лебедев создал электронное аналоговое вычислительное устройство для решения связанных с энергетикой задач, а в 1947 году появилась электронная аналоговая машина ЭДА, позволявшая решать дифференциальные уравнения 20-го порядка.
Более того, получив сведения из открытых публикаций западных радиотехнических журналов, в 1947 году академик Михаил Лаврентьев выступил с докладом об отставании СССР в создании электронной вычислительной техники. Из доклада сделали выводы – осенью 1948 года Сергей Лебедев переориентировал свою лабораторию моделирования регулирования на конструирование электронной счетной машины (МЭСМ, позже это устройство было переименовано в Малую электронную счетную машину), а 4 декабря того же года Исаак Брук и Башир Рамеев получили авторское свидетельство на изобретение «Автоматической цифровой машины» – фактически первого советского компьютера.
4 января 1951 года приемной комиссии был продемонстрирован действующий макет МЭСМ, а 25 декабря она была пущена в эксплуатацию: в тот день на ней было получено решение реальной задачи – вычисление функций распределения вероятностей, – за 2,5 часа было выполнено 250 тыс. операций и получено 585 значений с точностью до пятого знака. В то время это был самый мощный компьютер в континентальной Европе.
