Манчестерска беба (енгл. ), такође позната и као Експериментална машина малог формата (енгл. ), била је први електронски рачунар са ускладиштеним програмом. Конструисали су га на Универзитету Викторија у Манчестеру Фредерик К. Вилијамс, Том Килберн и Џеф Тутил, а свој први програм је покренуо 21. јуна 1948. године.
Беба није била замишљена као практична рачунарска машина, већ је дизајнирана као тестно окружење (енгл. ) за Вилијамсову цев, прву праву меморију са произвољним приступом (RAM). Описана као „мала и примитивна” 50 година након свог стварања, била је то прва радна машина која је садржала све елементе неопходне за модеран електронски дигитални рачунар. Чим је Беба демонстрирала изводљивост свог дизајна, на универзитету је покренут пројекат њеног развоја у потпуно оперативну машину, . Марк 1 је убрзо постао прототип за Феранти Марк 1, први комерцијално доступан рачунар опште намене на свету.
Беба је имала дужину речи од 32 бита и меморију од 32 речи (1 кибибит, 1.024 бита). Пошто је дизајнирана да буде најједноставнији могући рачунар са ускладиштеним програмом, једине аритметичке операције имплементиране у хардверу биле су одузимање и негација; остале аритметичке операције су биле имплементиране у софтверу. Први од три програма написана за машину израчунавао је највећи прави делилац броја 218 (262.144), тестирајући сваки цео број од 218 наниже. Овом алгоритму је било потребно много времена за извршавање — чиме се доказивала поузданост рачунара, пошто је дељење имплементирано узастопним одузимањем делиоца. Програм се састојао од 17 инструкција и радио је око 52 минута пре него што је дошао до тачног одговора 131.072, након што је Беба извршила око 3,5 милиона операција (уз ефективну брзину процесора од око 1100 инструкција у секунди).
Позадина
мини|Уметнички приказ Тјурингове машине
Први дизајн рачунара контролисаног програмом била је Аналитичка машина Чарлса Бебиџа из 1830-их година, док је Ејда Лавлејс осмислила први теоретски програм за израчунавање Бернулијевих бројева. Век касније, 1936. године, математичар Алан Тјуринг објавио је свој опис онога што ће постати познато као Тјурингова машина, теоријски концепт намењен истраживању граница механичког рачунања. Тјуринг није замишљао физичку машину, већ особу коју је назвао „рачунарем”, која је деловала у складу са упутствима са траке на којој су се симболи могли секвенцијално читати и писати док се трака померала испод главе за читање. Тјуринг је доказао да ако се алгоритам може написати за решавање математичког проблема, онда Тјурингова машина може извршити тај алгоритам.
Машина Z3 Конрада Цузеа била је први радни, потпуно аутоматски програмабилни рачунар на свету, са бинарном дигиталном аритметичком логиком, али му је недостајало условно гранање Тјурингове машине. Дана 12. маја 1941. године, Z3 је успешно представљен публици састављеној од научника у Немачком институту за ваздухопловство (нем. ) у Берлину. Z3 је свој програм чувао на екстерној траци, али је био електромеханички, а не електронски систем. Најранији електронски рачунарски уређаји били су Атанасов-Бери рачунар (ABC), који је успешно тестиран 1942. године, и Колос из 1943. године, али ниједан није био машина са ускладиштеним програмом.
ЕНИАК (1946) био је први аутоматски рачунар који је био и електронски и опште намене. Био је Тјуринг-потпун, са условним гранањем и програмабилан за решавање широког спектра проблема, али његов програм се чувао стањем прекидача у кабловима, а не у меморији која би се могла мењати машинским путем, и његово репрограмирање је могло потрајати неколико дана. Истраживачи попут Тјуринга и Цузеа истраживали су идеју коришћења меморије рачунара за чување програма, као и података на којима се радило, а математичар Џон фон Нојман је био тај који је написао широко распрострањен рад који описује ту архитектуру рачунара, која се и данас користи у готово свим рачунарима.
десно|мини|Дизајн Фон Нојманове архитектуре (1947) Конструкција Фон Нојмановог рачунара зависила је од доступности одговарајућег меморијског уређаја на који би се сачувао програм. Током Другог светског рата, истраживачи који су радили на проблему уклањања шума из радарских сигнала развили су облик меморије са линијом кашњења, чија је прва практична примена била живина линија кашњења, коју је развио Џ. Преспер Екерт. Радарски предајници шаљу редовне кратке импулсе радио енергије, чије се рефлексије приказују на екрану са катодном цеви (CRT). Пошто су оператери обично заинтересовани само за покретне мете, било је пожељно филтрирати све ометајуће рефлексије од стационарних објеката. Филтрирање је постигнуто упоређивањем сваког примљеног импулса са претходним импулсом и одбацивањем оба ако су били идентични, остављајући сигнал који садржи само слике било којих покретних објеката. Да би се сваки примљени импулс сачувао за касније поређење, пропуштан је кроз преносну линију, која га је одлагала тачно за време између пренесених импулса.
Тјуринг се придружио Националној физичкој лабораторији (NPL) у октобру 1945. године, до када су научници унутар Министарства за снабдевање закључили да је Британији потребна Национална математичка лабораторија за координацију машински потпомогнутог рачунања. Основано је Математичко одељење при NPL-у, а 19. фебруара 1946. године Тјуринг је представио рад у којем је изнео свој дизајн електронског рачунара са ускладиштеним програмом који ће бити познат као Аутоматска рачунарска машина (енгл. ). Ово је био један од неколико пројеката покренутих у годинама након Другог светског рата са циљем изградње рачунара са ускладиштеним програмом. У отприлике исто време, ЕДВАК је био у развоју на Универзитету Пенсилваније, а Математичка лабораторија Универзитета у Кембриџу је радила на ЕДСАК-у.
NPL није имао стручност да изгради машину попут ACE-а, па су контактирали Томија Флауерса из Истраживачке лабораторије Долис Хил. Флауерс, дизајнер Колоса, првог програмабилног електронског рачунара на свету, био је ангажован на другим пројектима и није могао да учествује у пројекту, иако је његов тим изградио неке живине линије кашњења за ACE. За помоћ се обратило и Установи за телекомуникациона истраживања (TRE), као и Морису Вилксу у Математичкој лабораторији Универзитета у Кембриџу.
Владино одељење надлежно за NPL одлучило је да од свих послова које је TRE обављао у њихово име, ACE добије највећи приоритет. Одлука NPL-а довела је до посете надзорника Физичког одељења TRE-а 22. новембра 1946. године, у пратњи Фредерика К. Вилијамса и А. М. Атлија, такође из TRE-а. Вилијамс је водио развојну групу TRE-а која је радила на CRT меморијама за радарске примене, као алтернативи линијама кашњења. Вилијамс није био доступан да ради на ACE-у јер је већ прихватио професуру на Универзитету Викторија у Манчестеру, а већина његових техничара је била у процесу преласка у Одељење за атомску енергију. TRE се сложио да позајми мали број техничара који ће радити под Вилијамсовим вођством на универзитету, и да подржи још једну малу групу која је радила са Атлијем у TRE-у.
Вилијамс-Килбернова цев
мини|десно|Плакета Института инжењера електротехнике и електронике (IEEE) у знак сећања на Манчестерску бебу и њене деривате. Натпис гласи: IEEE MILESTONE: Рачунар „Беба” Универзитета у Манчестеру и његови деривати, 1948-1951. На овом месту је 21. јуна 1948. године „Беба” постала први рачунар који је извршио програм сачуван у адресабилној електронској меморији за читање и писање. „Беба” је потврдила рад меморије са произвољним приступом засноване на Вилијамс-Килберновој цеви, која је касније била у широкој употреби, и довела до Манчестер Марк 1 из 1949. године, који је увео индексне регистре. У фебруару 1951. године комерцијални дериват компаније Ferranti Ltd постао је први електронски рачунар који се продавао као стандардни производ испоручен купцу.
Иако су неки рани рачунари попут ЕДСАК-а, инспирисани дизајном ЕДВАК-а, касније успешно користили меморију са живином линијом кашњења, та технологија је имала неколико недостатака: била је тешка, скупа и није дозвољавала насумичан приступ подацима. Поред тога, пошто су подаци били сачувани као низ акустичних таласа који су се пропагирали кроз стуб живе, температура уређаја се морала веома пажљиво контролисати, јер брзина звука кроз медијум варира са његовом температуром. Вилијамс је видео експеримент у Беловим лабораторијама који је демонстрирао ефикасност катодних цеви (CRT) као алтернативе линији кашњења за уклањање одјека тла са радарских сигнала. Док је радио у TRE-у, непосредно пре него што се придружио Универзитету у Манчестеру у децембру 1946. године, он и Том Килберн су развили облик електронске меморије познат као Вилијамсова цев или Вилијамс-Килбернова цев, заснован на стандардном CRT-у: први електронски дигитални уређај за складиштење са насумичним приступом. Беба је дизајнирана да покаже да је то био практичан уређај за складиштење тако што ће демонстрирати да се подаци који се у њему налазе могу поуздано читати и писати брзином погодном за употребу у рачунару.
За употребу у бинарном дигиталном рачунару, цев је морала бити у стању да сачува једно од два стања на свакој од својих меморијских локација, што је одговарало бинарним цифрама (битовима) 0 и 1. Она је користила позитивно или негативно електрично наелектрисање генерисано приказивањем или цртице или тачке на било којој позицији на CRT екрану, што је феномен познат као секундарна емисија. Цртица је генерисала позитивно наелектрисање, а тачка негативно наелектрисање, од којих је оба могла да покупи детекторска плоча испред екрана; негативно наелектрисање представљало је 0, а позитивно 1. Наелектрисање се расипало за око 0,2 секунде, али се могло аутоматски освежити из података које је прикупио детектор.
Вилијамсова цев коришћена у Беби била је базирана на CV1131, комерцијално доступној катодној цеви пречника 12 инча, али је мања цев од 6 инча, CV1097, коришћена у Марку 1.
Настанак пројекта мини|upright|десно|Плоча у част Вилијамсу и Килберну на Универзитету у Манчестеру
Након развоја рачунара Колос за разбијање шифри у Блечли парку током Другог светског рата, Макс Њуман је био посвећен развоју рачунара који би укључивао и математичке концепте Алана Тјуринга и концепт ускладиштеног програма који је описао Џон фон Нојман. Године 1945. именован је на Филденову катедру за чисту математику на Универзитету у Манчестеру; са собом је у Манчестер повео своје колеге са пројекта Колос, Џека Гуда и Дејвида Риса, и тамо су ангажовали Ф. К. Вилијамса да буде „човек за кола” (енгл. ) за нови пројекат рачунара за који је Њуман обезбедио финансирање од Краљевског друштва.
Након његовог именовања на Катедру за електротехнику на Универзитету у Манчестеру, Вилијамс је ангажовао свог колегу из TRE-а Тома Килберна путем привременог премештаја. До јесени 1947. године, њих двојица су повећали капацитет складиштења Вилијамсове цеви са једног бита на 2.048, распоређених у низ од 64 пута 32 бита, и показали су да је способна да чува те битове четири сата. Инжењер Џеф Тутил придружио се тиму као позајмљени радник из TRE-а у септембру 1947. и остао је на привременом раду до априла 1949.
Килберн се тешко присећао утицаја на дизајн његове машине:
Џек Коупленд објашњава да је Килбернов први (пре Бебе) дизајн без акумулатора (децентрализован, у терминологији Џека Гуда) био заснован на доприносима Тјуринга, али да је касније прешао на машину базирану на акумулатору (централизовану) какву је заговарао Фон Нојман, а како су му то написали и подучавали Џек Гуд и Макс Њуман.