リチャード・ハミング：第3章コンピューターの歴史-鉄

「このコースの目標は、技術的な未来に向けて準備することです。」

こんにちは、Habr。 素晴らしい記事「You and Your Work」 （+219、2265ブックマーク、353k読み取り）を覚えていますか？



そのため、ハミング（はい、はい、自己チェックと自己修正のハミングコード ）には、彼の講義に基づいて書かれた本があります。 男性がビジネスを話しているので、それを翻訳しましょう。



この本はITだけでなく、信じられないほどクールな人の思考スタイルに関する本です。 「これは単なる肯定的な思考の責任ではありません。 素晴らしい仕事をする可能性を高める条件を説明しています。」



すでに15（30のうち）の章を翻訳しています。

翻訳のurticazokuに感謝します。これは、「前の章」の私の呼びかけに応えてくれました。 翻訳を手伝いたい人は-個人の電子メールまたは電子メールmagisterludi2016@yandex.ru （ちなみに、別のクールな本の翻訳も開始しました- 「The Dream Machine：The History of the Computer Revolution」 ）、およびMarvin Minskyも翻訳します。

第3章コンピュータの歴史-鉄

コンピューティングの歴史は、小石を追加に使用する原始人から始まった可能性があります。 マーシャク（ハーバード）は、穴居人の骨の傷だと考えられていたものが、実際には月の満ち欠けに関連する慎重に描かれた線であることを発見しました。 イギリスのソールズベリー高原でのストーンヘンジの建設は、1900〜1700、1700〜1500、1500〜1400の3段階で行われました。 BC、そして天文学の重要な経験を示す天文観測と密接に関連していました。 考古天文学の研究は、多くの原始的な人々が天文学上の出来事についてかなりの知識を持っていることを示しました。 天文台と呼ばれるオブジェクトは、中国、インド、およびメキシコに保存されていますが、それらがどのように使用されたかについては完全に理解していません。 私たちの西部の平原には、インディアンの天文台の跡がたくさんあります。



Xuan-pan（中国のそろばん）とそろばんは、コンピューティングにより密接に関連する道具です。 インドからアラビア数字が出現したことは、クリーンコンピューティングの分野での大きな一歩を意味しました。 官僚制度は、違法と認められるまでアラビア数字の採用に大きな抵抗に直面しました（元のアラビア形式ではありません）が、時間が経つにつれて（1400年代）アルファベットの文字のより厄介なローマ（および以前のギリシャ語）の使用に勝る実用的および経済的優位性数字の文字として。







次の大きなステップは、Neper（1550-1617）による対数の発明です。 2つの対数の加算が2つの数値の乗算を意味するスライドスケールのスライドルールが登場しました。 このアナログデバイス、スライドルールは、次の重要な一歩でしたが、アナログデバイスの分野ではデジタルではありませんでした。 私はかつて、直径6〜8インチ、長さ2フィートのシリンダーの形をした非常に複雑なスライドルールを使用していました。



30代および40代の定規は、通常、エンジニアグループのツールであり、通常、キャンパスのグループのシンボルとしてベルトに取り付けられた革のケースに着用されます。 標準の10インチのスライドルールには、スライドルール、正方形、キューブ、三角スケールが含まれていました。 それらはもう生産されていません！



アナログデバイスに関する話を続けます。 次の重要なステップは、アナログ形式の機械的積分器を備えた差動アナライザーの出現でした。 最初の成功したモデルは、マサチューセッツ工科大学のVannevar Bushによって30年頃に作られました。 RDA No. 2はまだアナログで機械式ですが、多くの電子接続がありました。 私はこれをしばらく（1947-1948）使用して、設計の初期段階でナイキ誘導ミサイルの発射経路を計算しました。







第二次世界大戦中、軍隊は電子アナログコンピューターを使用し始めました。 彼らは、ホイールとボールの代わりにコンデンサを積分器として使用しました（ただし、時間に関してのみ統合できました）。 これは大きな前進であり、私はこのデバイスをベルの電話研究所で長年使用していました。 古いM9砲兵射撃システムの一部から構築されました。 M9の一部を使用して、コンピューティング能力を向上させるために最初のコンピューターと独立して、または一緒に使用できる2台目のコンピューターを構築しました。



デジタルコンピューティングに戻って、NapierはNapier Sticksも開発しました。これは、ほとんどの場合象牙の棒で、数字を乗せて簡単に増やすことができました。 それらはデジタルであり、アナログのスライドルールと混同しないでください。







Nepherの杖から、現代​​のデスクトップ計算機が生まれた可能性があります。 1623年12月20日、シッカートはケプラーに、彼の研究室での火災が彼がケプラー用に作っている機械を焼失したと書いた。 彼のノートとスケッチを調べることで、機械が4つの基本的な算術演算を実行することを確立することができました。 同じ年に生まれたパスカル（1623-1662）は、デスクトップコンピューターの発明者と呼ばれますが、彼のコンピューターは加算と減算しかできませんでした-父親が税金を計算するために必要なのはこれらの操作だけでした。 ライプニッツはコンピューターにも取り組み、乗算と除算を追加しましたが、彼のマシンは信頼できませんでした。



バベッジ（1791-1871）は、デジタル分野の次の偉大な名前であり、しばしば現代のコンピューティングの父と考えられています。 その最初の開発は、加算と減算のシーケンスのみを使用して、多項式を連続した均一に分布した値で評価できるという単純な考えに基づく差分エンジンであり、局所的にほとんどの関数は適切な多項式で表すことができるため、「コンピューターテーブル」と見なすことができます「（バベッジは、人為的ミスを防ぐために、印刷を機械で行うことを主張しました）。 英国政府が資金を提供しましたが、プロジェクトは完了しませんでした。 ノルウェー人、父と息子のショイツはいくつかの作業用具を組み立て、バベッジは成功を祝福しました。 デバイスの1つはニューヨークの天文台に販売され、天文台の計算に使用されました。



コンピューターテクノロジーの分野でよくあることですが、バベッジは、フォンノイマンの設計に近いはるかに強力な分析エンジンを考案するまで、差分エンジンでの作業を終えていませんでした。 彼は動作するデバイスを取得できませんでした。 イギリスの科学者グループ（1992）は、彼の図面に従ってデバイスを組み立て、意図したとおりに機能しました。



次の主要な実用的なステップは、単なる加算器であるKomptometerでしたが、乗算と同等の繰り返しの加算とシフトのおかげで、デバイスは長年にわたって非常に広く使用されていました。 その後、一連の最新のデスクトップ電卓、ミリオネア、そしてマーチャント、フリーデン、モンローが登場しました。 それらの電源と制御は手動で行われましたが、徐々に機械的レバーによって制御の一部が構築されていきました。 1937年以来、デバイスには電動モーターが徐々に搭載され、最も複雑な計算が実行されています。 1944年まで、そのうちの少なくとも1つには、平方根を計算するための組み込み操作がありました（ただし、複雑に編成された機械的レバーを使用）。 このようなハンドヘルドマシンは、それらを操作するチームが計算能力を提供するための基盤でした。 たとえば、1946年にベルの電話研究所に来たとき、研究所にはそのようなグループが4つあり、通常はグループ内に6〜10人の少女がいました。 数学部門の小さなグループ、ネットワーク部門の大きなグループ、切り替えと品質管理のグループ。



パンチカードの計算は、先見の明のある人が、10年ごとに法律で義務付けられている連邦国勢調査に時間がかかり、最後のセンサス（1890）が適用されなければ次のセンサスの前に完了しなかったことを発見したために現れました機械工法へ。 ホレリスはこの仕事を引き継ぎ、最初のパンチカードを作成し、さらに成功した国勢調査で、人口の増加と国勢調査中の質問数の増加の両方に遅れないように、より強力な機械を作成しました。 1928年、IBMは長方形の穴のあるカードの使用を開始しました。そのため、電気ブラシはその場所のカードの穴の有無を簡単に検出できました。 国勢調査グループを去ったPowersは、機械的な棒で検出されるように設計された丸い穴のあるパンチされたカード、「指」を使用しました。



1935年頃、IBMは601メカニカルロータリーハンマーを構築しました。これは、乗算され、同時に結果に2つの追加を加えることができました。 彼はコンピューター技術の主要なコンポーネントの1つになりました。 1,500がリースされ、平均で2〜3秒で増加しました。 これらのデバイスは、トリプルプロダクトとディビジョンを備えたいくつかの特別なマシンとともに、ロスアラモスで最初の原子爆弾の設計を計算するために使用されました。

機械、つまりリレー、エリアでは、ジョージ・スティビッツが複雑な数で動作するコンピューターを構築し（1939）、ダートマスにセットアップしました（1940）。メインフレームはニューヨークにありました。つまり、最初のリモート端末の1つでした。また、彼は通常、研究所のさまざまな場所に3つの入力ステーションを持っていたため、「共有コンピューター」でした。







ドイツのKonrad ZuseとハーバードのHoward Aitkenは、それぞれStibitzのように、複雑さが増した一連のリレーコンピュータをリリースしました。 モデル5では、Stybitsには同じマシン上に2台のコンピューターがあり、マルチプロセッサーシステムのように、必要に応じてタスクを分離することができました。 3人の中で、Zuseはおそらく直面した困難とコンピューターソフトウェアの開発への彼のその後の貢献の両方を考慮して、最高でした。



電子コンピューターの時代は、1946年に米軍のために建てられたENIACから始まったと言われています。 約18,000の真空管があり、巨大で、当初の設計どおり、IBM接続カードと同じ方法で接続されていましたが、特定の問題を解決するための接続は機械室全体を占有していました！ 当初想定されていたように、弾道軌道を計算するために使用されていた限り、この欠陥は深刻ではありませんでした。 最終的に、後のIBM CPCのように、配線接続からではなく、指示（弾道テーブル上の数字）からプログラムされたかのように動作するように、ユーザーによって慎重に再設計されました。



ENIACを作ったモークリーとエッカートは、バベッジのように、最初の車が完成する前に、すでに大きくプログラムされたEDVACマシンをすでに想像していたことを発見しました。 Von Neumannは、プロジェクトコンサルタントとしてレポートを作成しました。その結果、彼は内部プログラミングであるとよく言われていますが、私が知る限り、彼はこれを主張したり否定したりしませんでした。 1946年の夏、モークリーとエッカートは全員に電子コンピューターの設計と作成の方法に関するコースを開講しました。その結果、参加者の多くは独力で参加しました。 イギリスのケンブリッジのウィルクスは、この恩恵を最初に受けたのがEDSACです。



当初、各機械は一種でしたが、それらの多くは、フォンノイマンの指示の下で高等研究所からコピーされました（しかし、しばしば以前に完成していました）。 その結果、NC Metropolisの指示の下で組み立てられたManiac-I（1952）（機械のばかげた名前を取り除くために命名された）などのいわゆるコピーの多くは、高度な研究所の機械の前に完成しました。 マニアックIとマニアックII（1955）はロスアラモスで、マニアックIII（1959）はシカゴ大学で組み立てられました。 連邦政府、特に軍は、初期の機械のほとんどの開発を支援し、コンピューター革命の開始時に多くを助けました。



電子コンピューターの最初の商業生産は再びモークリーとエッカートが主導し、彼らが作った会社が別の会社と合併したため、彼らの機械はユニバックスと呼ばれました。 特に国勢調査局に注目します。 IBMは18で少し遅れました（秘密暗号ユーザーを検討するなら20）IBM701。私たちのグループをよく覚えています。IBM701で18マシンの提案について話し合った会議でセッションをした後、誰もがこれが何年も市場を飽和させると思いました！ 私たちの間違いは、単に私たちが当時行ったことだけを考え、まったく新しい機械の使用の方向性を考えなかったことでした。 その時の最高の専門家は絶対に間違っていました！ そしてたくさん！ そして最後ではありません！



比較してみましょう：







私が扱ってきた速度の変化とそれに対応するメモリの量は、あなたがあなたのキャリアで耐えなければならないもののアイデアを与えるはずです。 フォンノイマンなどのマシンでも、速度が最大に達するまで100倍になる可能性があります。

このような数値は実際にはほとんどの人間の次元を超えるため、説明した速度の人間の次元を紹介する必要があります。 最初のエントリ（括弧には標準文字が含まれます）







今、人間の次元に。 1日で、60×60×24 = 86400秒。 1年で-約3.15×10 ^ 7秒、そして100年で、おそらく平均寿命-約3.15×10 ^ 9秒。 したがって、3秒で、1秒あたり10 ^ 9の浮動小数点演算（フロップ）を実行するマシンは、生涯の秒よりも多くの演算を実行し、ほぼ間違いなくエラーなしになります！



人間の寸法の別の例は、真空中の光の速度-3x10 ^ 10 cm /秒です。 （ワイヤ上では、この値の約7/10です）。 したがって、ナノ秒単位で、光は約1フィートで30 cm進みます。 もちろん、距離はピコ秒で約1/100インチです。 これらは、回路内で信号が（せいぜい）伝播できる距離です。 したがって、現在使用しているいくつかの周波数では、パーツは互いに非常に近い必要があります。人間のサイズに近い場合、パーツ間の移行中に潜在的な速度のほとんどが失われます。 また、混合回路解析は使用できなくなりました。



人間の長さの代わりに自然な長さはどうですか？ 原子はさまざまなサイズで、通常は1〜3オングストローム（オングストロームは10 ^ -8 cm）であり、結晶では、例外はありますが、原則として約10オングストロームの距離にあります。 1フェムト秒の場合、光は約300原子を通過します。 したがって、非常に高速なコンピューターの詳細は小さく、互いに近くにある必要があります！



不純物を含むトランジスタを考えており、不純物が約100万回動作する場合、おそらく1原子の不純物を含むトランジスタは想像できませんが、バックグラウンドノイズを低減するために温度を下げると、固体デバイスを作る1000の不純物を想像してくださいサイズが少なくとも約1000原子。 デバイスのサイズに対して少なくとも10倍の距離で動作する相互接続では、相互接続されたデバイス間の100,000原子未満の距離が実際には大きい（3ピコ秒）ことがわかります。



熱放散も発生します。 熱力学的にリバーシブルなコンピューターについて話していたが、これまでは話し合いと公開された記事のみであり、熱は依然として重要である。 単位面積あたりのデバイスが多くなり、状態が頻繁に変化するほど、小さな領域でより多くの熱が放出され、すべてが溶ける前に廃棄する必要があります。 これを補うために、電圧を下げて2ボルトまたは3ボルトに到達させます。 現在、ダイヤモンドは銅よりもはるかに優れた非常に優れた熱伝導体であるため、ダイヤモンドから超小型回路の基礎を作成する可能性が検討されています。 非常に良好な熱伝導特性を備えた、ダイヤモンドと同様の、おそらくより安価な結晶構造の合理的な可能性があります。



コンピューターの作業を高速化するために、同じコンピューター上で2、4以上の演算ユニットに切り替え、パイプラインとキャッシュメモリも開発しました。 これらはすべて、高度な並列コンピューターへの小さなステップです。



したがって、シングルプロセッサマシンのボード上の図が表示されます。飽和状態に近づいています。 したがって、高並列マシンへの情熱。 残念ながら、それらにはまだ単一の共通構造はありませんが、潜在的な速度を使用するために異なる戦略を必要とし、異なる長所と短所を持つ通常非常に多くの競合する設計があります。 標準的な並列コンピュータアーキテクチャには単一の設計がない可能性が高いため、さまざまな有望な領域を実装するための問題と取り組みの分散があります。



その時点で市場で最速のコンピューターからのデータを使用して、ロスアラモス（LANL）でずっと前にコンパイルされた図から、1秒あたりの操作数の方程式が見つかりました。







また、データを十分に説明しています。 ここで時間は1943年に始まります。 1987年、予測された外挿値（約20年後！）は約3 \ times10 ^ 8であり、目標でした。 1つのプロセッサを備えたフォンノイマン型コンピューターの場合、制限漸近線は3.576 \ times10 ^ 9です。



ここでは、コンピューターの成長の歴史において、タイプ「S」の成長曲線の実装が見られます。 非常に遅いスタート、速い上昇、速度のほぼ直線的な増加の長いストレッチ、そして避けられない飽和との衝突。



だから人間のサイズに戻ります。 デジタルコンピューターが最初にBell's Labに登場したとき、私は何時間もそれらをレンタルすることから始めました。数学部門の責任者は、従業員として私を雇う方が安くなると判断しました。デジタルコンピューターに対する彼の抵抗を増やすだけです。上司が「いいえ」と言うとすぐに、彼が別の決定を下すことは非常に難しいので、あなたの提案に「いいえ」と言わせないでください。私は初期の頃、15か月ごとに1年あたりの計算数を2倍に増やしていました。数年後、計算の倍増時間を約18か月に短縮しました。部門長は、これを永遠に続けることはできないと繰り返し続けました。私の丁寧な答えは、「もちろん、あなたは正しいのですが、18〜20か月ごとに計算回数が2倍になるのを見ているだけです！」このマシンにより、私と私の後継者は、長年にわたって実行された計算の数を2倍にすることができました。ここ数年、私たちは「S」曲線のほぼ直線的な部分に住んでいます。



それにもかかわらず、私は部門の長を正直に扱ってみましょう、それは重要な操作の数ではなく、私が計算したマイクロノーベル賞の数であることを私に理解させた彼のコメントでした。したがって、1961年に出版した本のモットーは次のとおりです。

計算の目的は、数字ではなく理解です。

私の良き友人はそれをレビューしました：

計算の目的はまだ明確ではありません。

図3.1



ここで、コンピューターが長年にわたってどのように設計されたかについて、いくつかの詳細を見る必要があります。最小の部品は、情報のビットを格納するための2つの状態デバイスと、信号を通過またはブロックするトランジスタゲートです。どちらもバイナリデバイスであり、現在の知識では、最も簡単で最速の計算方法を提供しています。



そのような部分から、ビットの大きな配列を格納できる組み合わせを構築します。これらの配列は、しばしば数値レジスタと呼ばれます。論理ゲートは、トランジスタゲートを含むストレージユニットの単なる組み合わせです。このようなデバイスとコンピューターのすべての大きなユニットから加算器を構築します。



さらに大きなユニットに移行すると、（1）ストレージデバイス、（2）制御デバイス、（3）算術論理デバイスで構成されるマシンがあります。コントロールユニットには1つのレジスタがあり、これを現在のアドレスレジスタ（CAR）と呼びます。次の命令が見つかるアドレスを保存します、図3.1。



コンピューターサイクル：



1. CARから次の指示のアドレスを取得します。

2.リポジトリ内のこのアドレスに移動して、この指示を取得します。

3.デコードして、これらの指示に従います。

4. CARアドレスに1を追加して、再起動します。



車は、それがどこにあり、どこにあるのかを知らないことがわかります。せいぜい、彼女は同じサイクルの無限の繰り返しの近視眼的な見方しか持っていません。このレベルより下では、トランジスタゲートと両面ストレージデバイスは値を認識しません-彼らは何をすべきか単に反応します。また、何が起こっているのかをグローバルに把握しておらず、ストレージであろうとトランジスタの動作であろうと、ビットを追加しても意味がありません。



マシンの状態に応じて、CARに命令のアドレスを入力する命令があり（そのような場合は1は追加されません）、マシンはサイクルを開始して、前の命令のアドレスに続くアドレスではないアドレスを見つける、ただしCARに保存されている場所を見つけます。



私はあなたに理解してほしい：マシンは他のビットに従って情報のビットを処理し、マシンに関する限り、何が起こっているのか意味がありません-ビットを重視するのは私たちです。マシンは、古典的な意味での「マシン」です。彼女は自分がしたことをしますが、それ以外は何もしません（ミスをするまで）。もちろん、リアルタイム割り込みや、新しいビットがマシンに入る他の方法がありますが、マシンにとっては単なるビットです。



しかし、このトピックを去る前に、デモクリトス（460-336？）の言葉を思い出してください：「すべては原子と空虚です」。したがって、彼は、あなたと私を含むすべてが分子で構成されており、私たちはエネルギー分野に存在するという、多くの物理学者の世界の現代的な見解を表現しました（？）。これ以上ない！私たちは車ですか？多くの人はこれに同意したくはありませんが、コンピューターを想像するように、それらは互いに無意味に衝突する多数の分子以上のものであると感じています。このトピックについては、人工知能（AI）と呼ばれる6〜8章で説明します。



コンピューターをマシン、ストレージデバイスのセット、およびビット処理ユニットとして表すことには、特定の利点があります。たとえば、プログラムのデバッグ時（エラーの検索）。デバッグの際に考慮する必要があるのは、マシンが指示に従うことであり、それ以上に、人々のような「自由意志」や自己認識はありません。



私たちは車とどう違うのですか？私たちは皆、自分たちが違うと思いたいのですが、本当に？これは人々にとって繊細なトピックであり、感情や宗教的信念が議論として広まっています。このトピックについて議論するためのより多くの知識が得られたら、AIに関するこの記事のパート6〜8に戻ります。



継続するには...



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ちなみに、私たちはまた別のクールな本の翻訳を開始しました- 「The Dream Machine：The History of the Computer Revolution」 ）