IAS-машина (, дослівно: Машина Інституту перспективних досліджень) — одна з перших електронних обчислювальних машин, побудована в Інституті перспективних досліджень () в Принстоні, штат Нью-Джерсі, США. Комп'ютер також іноді називають «машиною Фон Неймана», оскільки вона створювалася під керівництвом Джона фон НейманаThe IAS Computer, 1952, http://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_334741 , коли він працював одночасно в Інституті перспективних досліджень і професором математики в Принстонському університеті. Комп'ютер будувався в період з 1945 по 1951.
Загальна конструкція комп'ютера почала називатися «Архітектура фон Неймана» (чи «принстонська архітектура» в протилежність «гарвардській архітектурі») і слугувала зразком для створення інших аналогічних комп'ютерів у США і у всьому світі.
Історія створення
Ідея створення машини обмірковувалася фон Нейманом в листопаді 1945, коли в щойно закінчилися роботи над першим електронним комп'ютером ENIAC і почалися роботи над наступним комп'ютером — EDVAC. У зв'язку із закінченням Другої світової війни зобов'язання учасників проєкту перед військовим відомством вичерпувалися і після демобілізації кожен з них був вільний продовжувати свою кар'єру на власний розсуд. Внаслідок суперечок з Інститутом Мура щодо авторських прав на винаходи, у березні 1946 проєкт покинули Екерт і Моклі, які вирішили створити . Фон Нейман вирішив повернутися до Інституту перспективних досліджень (IAS), де хотів продовжити роботи над новим науковим напрямом — електронними обчислювальними машинами і їхнім застосуванням у науці. Іншими місцями, які фон Нейман розглядав влітку 1945, були Массачусетський технологічний інститут і Чиказький університет.
Вибір IAS як місця для створення комп'ютера був дуже незвичайним, оскільки Інститут перспективних досліджень займався винятково теоретичною наукою і не мав лабораторій і устаткування для проведення експериментів, не було навіть приміщення для роботи інженерівGoldstine, 1980, p. 220. Проєкт електронного комп'ютера («Electronic Computer Project» так офіційно називався проєкт в Інституті) був підтриманий провідними вченими Інституту, зокрема, Освальдом Вебленом і керівником Інституту — Goldstine, 1980, p. 243, а також отримав фінансову підтримку з боку компанії RCA, яка брала на себе усі питання забезпечення проєкту вакуумними лампами, і армійського (Army Ordnance Department) і морського (Office of Naval Research) відомств США: фон Нейман переконав військово-морське відомство, що IAS-машину можна буде використати для чисельного прогнозу погоди. Фон Нейман запропонував створити IAS-машину як дослідний зразок, на якому відпрацьовуватимуться різні способи обчислень і технології. На взірець IAS-машини різні установи, що потребують комп'ютерів, будуватимуть свої машини, економлячи таким чином свої засоби на дослідження.
У березні 1946 головним інженером проєкту був призначений Джуліан Бігелоу. Фон Нейман став директором проєкту. З , покинувши проєкт EDVAC, перейшли (заступник директора проєкту), , Роберт Шоу і Джон Девіс. Фон Нейман пропонував посаду головного інженера Екерту, але потім відкликав свою пропозицію, коли зʼясувалося, що Екерт планує зайнятися бізнесом. У проєкті також брали участь , Ральф Шлуц, . Загальна кількість людей в команді не перевищувала шести. Планувалося проєкт виконати за 3 роки. Для прискорення роботи було вирішено виконувати усі роботи над комп'ютером паралельно, тому команда розбилася на чотири групи, які досліджували різні напрями проєкту:
логічне облаштування комп'ютера (Беркс, Голдстайн, фон Нейман) технічний пристрій (Бігелоу, з 1951 — Померен) математичні питання (Голдстайн і фон Нейман) група чисельного прогнозу погоди (Meteorology Project, ).
Розробка теорії
У липні 1946 Беркс, Голдстайн і фон Нейман написали знамениту монографію під назвою «Попередній розгляд логічного облаштування електронного обчислювального приладу» () Burks A. W., Goldstine H. H., Neumann J. Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument. — Institute for Advanced Study, Princeton, N. J., July 1946., яка детально описала пристрій і технічні характеристики майбутнього комп'ютера, які пізніше почали називатися «Архітектура фон Неймана» Goldstine, 1980, p. 255. Ця робота розвивала ідеї, викладені фон Нейманом в травні 1945 в рукописі «Перший проєкт звіту про EDVAC», який не призначався для широкої публікації, у ньому описувалася лише логічна структура «ідеального» комп'ютера, в роботі «Попередній розгляд» були описані усі технічні подробиці. У другій частині монографії під назвою «Планування і кодування завдань для електронного обчислювального приладу» (), представленою в трьох частинах (частина I — квітень 1947, частина II — 15 квітня 1948, частина III — 16 серпня 1948, частина IV не надрукована, були детально описані способи програмування майбутнього комп'ютера. Ця фундаментальна монографія офіційно була передана її авторами в громадське надбання, і її копія зберігається з афідевітом Беркса, Голдстайна і фон Неймана в Патентному відомстві США і у Бібліотеці Конгресу СШАGoldstine, 1980, p. 256.
Голдстайн і фон Нейман як учені розглядали свою роботу над комп'ютером як наукове дослідження і нехтували комерційними вигодами від відкриттів і винаходів, зроблених в процесі його створення.
Створення комп'ютера
Головною інженерною проблемою при створенні комп'ютера виявилася проблема з оперативною пам'яттю. Було вирішено не використовувати ртутні лінії затримки, як це було зроблено в конкурентному проєкті EDVAC. Для необхідної високої швидкості роботи IAS-машини (2000-4000 множень в секунду) пам'ять мала бути з довільним доступом. Ртутні лінії затримки робили пам'ять і повільною.
Спочатку передбачалося скористатися пропозицією компанії RCA, яка обіцяла забезпечити проєкт статичною ламповою пам'яттю під назвою Selectron. Але у RCA виникли проблеми з розробкою цієї технології, і до обіцяного терміну Selectronʼи не надійшли. Влітку 1948 інженери IAS-машини вирішили використати для оперативної пам'яті трубки Вільямса і успішно це зробили до січня 1950.
Офіційний урочистий запуск IAS-машини відбувся 10 червня 1952, але машина була доступна для проведення обчислень з весни 1951. Перше своє велике завдання машина виконала влітку 1951 для Лос-Аламойської національної лабораторії. Увесь 1952 рік комп'ютер працював в дві-три зміни до середини 1953 року. У грудні 1953 його розібрали і перевезли в інше просторіше і добре охолоджуване приміщення. 1954 до комп'ютера додали графічний дисплей з 7-дюймовою електронно-променевою трубкою роздільністю 512х512 точок, 1955 — новий об'ємніший магнітний барабан ERA Model 1107.
Чисельний прогноз погоди
Група науковців напрямку прогнозу погоди була готова до розрахунків наприкінці літа 1949, але на той час IAS-машина не була готова. Щоб не марнувати час в очікуванні закінчення робіт над IAS-машиною, і враховуючи важливість напрямку прогнозу погоди для стратегічних потреб країни, фон Нейман запропонував скористатися ЕНІАКом. Підготовка програми до розрахунку тривала 5 тижнів, а сам розрахунок прогнозу погоди на наступні 24 години на ЕНІАЦі тривав 24 години.
Виконання програми за тією ж моделлю і з тими ж даними на IAS-машині 30 червня 1953 тривало 6 хвилин, тобто в 240 разів швидшесм. «Final report on contract no. DA-36-034-ORD-1023», стр. II-134.
Створення похідних комп'ютерів
На початку 1950-х років зі вступом СРСР в ядерну гонку різко зросла потреба уряду США в обчислювальних машинах. Не чекаючи завершення IAS-машини, були побудовані за її зразком машини в Лос-Аламоській національній лабораторії і — в Аргонській національній лабораторії. Завдяки накопиченому досвіду при створенні IAS-машини, творцям і вдалося уникнути безлічі помилок і безвихідних рішень і запустити свої комп'ютери на кілька місяців раніше свого пращура.
Сама IAS-машина почала розглядатися як інструмент для проведення термінових обчислень з оборонної тематики, попри те, що вона будувалася як експериментальний прототип.
Опис
Елементна основа: вакуумні лампи, 2300 шт. 5 типів і 5 діодів. Синхронізація: відсутній тактовий генератор, що синхронізував роботу усіх вузлів, наступна команда виконувалася після того, як була виконана попередня. Розрядність: двійкова. Розмір слова: 40 біт. Формат команди: одноадресний. Розмір команди: 20 біт, 2 команди на 40-бітове слово для прискорення вибірки команд, передвісник «look-ahead»Goldstine, 1980, p. 265. Кількість команд: 67, використовувалося тільки 44. Представлення чисел: відʼємні числа представлялися у доповняльному коді. Дійсні числа представлялися числами з фіксованою комою, щоб спростити конструкцію машини і її програмування. Запамʼятовувальний пристрій: трубки Вільямса. Всього використовувалося 40 трубок Вільямса. Розмір пам'яті: 1024 слова (5,1 кБ). Пам'ять була з довільним доступом і паралельною, тобто кожен біт числа зберігався в окремій трубці Вільямса і складання бітів могло відбуватися одночасноGoldstine, 1980, p. 263. Тривалість доступу до пам'яті: 25 мікросекунд. Постійна пам'ять: магнітний барабан — 2.048 слів, тривалість доступу — 140.000 мікросекунд (власна розробка в травні-червні 1953) і пізніше 12.288 слів, тривалість доступу — 17.000 мікросекунд (у 1955 — магнітний барабан від компанії )Goldstine, 1980, p. 315. Пристрій введення-виведення: модифікований телетайп Goldstine, 1980, p. 315, пізніше — зчитувач перфокарт IBM. Швидкості: додавання — 62 мікросекунди, множення — 620—713 мікросекунди, ділення — 920 мікросекунд. Енергоспоживання: 28 кВт. Маса машини: 450 кілограмів. Маса охолоджувальної системи: 15 тонн. Обслуговування: 1 інженер + 1 оператор при 8-годинній зміні, 1 інженер + 2 оператори при двох 8-годинних змінах. Надійність: середня тривалість роботи за зміну — 4-8 годин. 70 % надійності з початку 1952 року до початку 1955 року. 80 з початку 1955 року. Машина мала «новинку» у вигляді регістрів загального призначення: регістр AC — акумулятор, і регістр MQ — множник/дільник.
Подальша доля
Після смерті фон Неймана 1957, IAS-машина пропрацювала в Інституті до 15 липня 1958, після чого було вирішено, що комп'ютер виконав своє завдання, і проєкт («Electronic Computer Project») був закритийDyson, George (March 2003),http://www.ted.com/talks/george_dyson_at_the_birth_of_the_computer , «TED (Technology Entertainment Design)», TED Conferences, LLC.
Впродовж кількох днів його розібрали і перевезли до Національного музею Американської історії Смітсонівського інституту в м. Вашингтон, де зберігається досі як неробочий експонатIAS Computer | National Museum of American History,http://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_334741 . Інститут перспективних досліджень більше комп'ютерами ніколи не займався, а приміщення, відведене під IAS-машину, було перероблене в дитячий садок.
Похідні IAS-машини
IAS-машина будувалася як експериментальна, на якій відпрацьовувалися різні технології і ідеї, проводилися дослідження і випробування. Передбачалося, що IAS-машина стане готовим зразком, за яким (з різними варіаціями) швидко створюватимуться інші машини для різних зацікавлених організацій. Усі комп'ютери, створені за подібністю IAS-машини, належали до «сімейства IAS-машин», оскільки будувалися за «архітектурою фон Неймана», хоча і не були сумісні один з одним на рівні програмного забезпечення.
(Лос-Аламоська національна лабораторія) (березень 1952) (Абердинський випробувальний полігон) (10 березня 1952) IBM 701 (19 машин) (29 квітня 1952) БЕСМ (Москва) (осінь 1952) ILLIAC I (Іллінойський університет в Урбана-Шампейн) (1 вересня 1952) (28 січня 1953) (Національна лабораторія Ок-Ридж) (кінець 1953) (RAND) (березень 1954) (Стокгольм, Швеція) (1 квітня 1954) WEIZAC (Науково-дослідний інститут імені Вейцмана) (кінець 1955) (Сіднейський університет) (4 липня 1956) SMIL (Лундський університет) (серпень 1956) (SAAB) (1956) (Токіо, Японія) — похідний від ILLIAC I (липень 1957) (Університет штату Мічиган) (осінь 1957)