ENIAC – Ο πρώτος επαναπρογραμματιζόμενος ψηφιακός ηλεκτρονικός υπολογιστής μεγάλης κλίμακας

Σαν σήμερα, στις 15 του Φλεβάρη 1946, εγκαινιάστηκε επίσημα στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια στη Φιλαδέλφεια των ΗΠΑ, ο πρώτος ηλεκτρονικός υπολογιστής γενικής χρήσης, που έφερε την ονομασία ENIAC (από τα αρχικά στα αγγλικά της ονομασίας Ηλεκτρονικός Αριθμητικός Ολοκληρωτής και Υπολογιστής).

Ο ENIAC υπήρξε ο πρώτος επαναπρογραμματιζόμενος ψηφιακός ηλεκτρονικός υπολογιστής μεγάλης κλίμακας. Αν και δεν πρόλαβε να χρησιμοποιηθεί για στρατιωτικούς σκοπούς είχε τη δυνατότητα να πραγματοποιεί 5.000 προσθέσεις το δευτερόλεπτο και υπολόγιζε την τροχιά ενός βλήματος σε λιγότερο χρόνο απ’ όσο χρειαζόταν για να φτάσει αυτό στο στόχο του. Όμως, ο προγραμματισμός της συσκευής με έναν κυκεώνα καλωδίων απαιτούσε μέρες…

Τέτοιες εικόνες φαντάζουν εξωπραγματικές στην εποχή μας που οι σύγχρονοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές βρίσκονται σχεδόν παντού. Ας κάνουμε λοιπόν ένα μικρό «ταξίδι» στη γέννηση και την ιστορική εξέλιξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών, μέσα από την έρευνα που επιμελήθηκε ο Σταύρος Ξενικουδάκης (πηγή: «Scientific American») και δημοσιεύτηκε στον Ριζοσπάστη (18 Οκτώβρη 2009):

Σήμερα οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές βρίσκονται σχεδόν παντού. Ομως, οι υπολογιστές δεν ήταν πάντα σαν τους σημερινούς ούτε ήταν πάντα ηλεκτρονικοί. Ταυτόχρονα, δεν είναι φαινόμενο μόνο των τελευταίων δεκαετιών. Η ιστορική τους εξέλιξη δένεται με τις ανάγκες της παραγωγής, τη δημιουργία των προϋποθέσεων για την εφεύρεσή τους, την απόκτηση κοινωνικής αξίας χρήσης. Μορφές υπολογιστών είχαν κατασκευαστεί από πολύ παλιά, αλλά είτε έμειναν στην αφάνεια για αιώνες, είτε χρησιμοποιήθηκαν πολύ περιορισμένα, είτε αποτέλεσαν αξιοπερίεργο, όχι λόγω «μυωπικής» αντίληψης κάποιων ανθρώπων, αλλά επειδή το επίπεδο ανάπτυξης των παραγωγικών δυνάμεων δεν απαιτούσε ακόμα την ενσωμάτωσή τους στην παραγωγή και γενικότερα στη ζωή των ανθρώπων.

Μηχανές ως προέκταση του ανθρώπινου μυαλού

Το 1790, λίγο μετά τη Γαλλική Επανάσταση, ο Ναπολέων Βοναπάρτης αποφάσισε το πέρασμα από το παλιό αυτοκρατορικό σύστημα μέτρησης στο νέο μετρικό σύστημα. Για να βοηθηθούν οι μηχανικοί και οι μαθηματικοί στη μετάβαση στο νέο σύστημα η αρμόδια κρατική υπηρεσία της Γαλλικής Δημοκρατίας βάλθηκε να κατασκευάσει ένα νέο σύνολο μαθηματικών πινάκων. Το 18ο αιώνα, όλοι οι υπολογισμοί γίνονταν με το χέρι. Μία ομάδα 50-100 «ανθρώπινων υπολογιστών» (ανθρώπων που απλώς ήξεραν αριθμητική), πρόσθετε και αφαιρούσε αριθμούς ώστε να γεμίσει γραμμή γραμμή τους απαραίτητους πίνακες. Το έργο χρειάστηκε 10 χρόνια για να ολοκληρωθεί, αλλά τότε η συνταρασσόμενη από πολέμους Γαλλία δε διέθετε τα απαραίτητα κονδύλια για να το τυπώσει. Το χειρόγραφο παρέμεινε στη γαλλική Ακαδημία Επιστημών επί δεκαετίες.

Ο Τσαρλς Μπάμπατζ κατασκεύασε αυτό το λειτουργικό πρωτότυπο της Μηχανής Διαφορών το 1832. Αν και η μηχανή αποδείκνυε το εφικτό της ιδέας του ήταν πολύ μικρή για να έχει οποιαδήποτε πρακτική αξία. Η πρώτη πλήρης εκδοχή του σχεδίου του Μπάμπατζ κατασκευάστηκε το 1991, μετά από 159 χρόνια, για να τοποθετηθεί ως έκθεμα στο Μουσείο Επιστήμης του Λονδίνου

Το 1819, ένας νεαρός Βρετανός μαθηματικός, ο Τσαρλς Μπάμπατζ, που είχε μεγάλη εμπειρία ως επόπτης ανθρώπινων υπολογιστών, έτυχε να το δει σε μια επίσκεψή του στο Παρίσι. Επιστρέφοντας στην Αγγλία, τον καιρό της Βιομηχανικής Επανάστασης, αποφάσισε να επαναλάβει τους υπολογισμούς, αλλά με μηχανές στη θέση των ανθρώπων υπολογιστών. Ο Μπάμπατζ έβλεπε γύρω του τη δύναμη της εκμηχάνισης και διείδε ότι οι μηχανές μπορούσαν να γίνουν όχι μόνο προέκταση του μυικού συστήματος του ανθρώπου, αλλά και του μυαλού του. Το 1822 πρότεινε στην κυβέρνηση της Αγγλίας την κατασκευή της Υπολογιστικής Μηχανής του και με τη χρηματοδότηση που πήρε κατάφερε να κατασκευάσει ένα πρωτότυπο, το 1832, το οποίο ονόμασε Μηχανή Διαφορών.

Θέμα χρονισμού

Ενα χρόνο αργότερα ο Μπάμπατζ βάλθηκε να φτιάξει ένα πιο μεγαλόπνοο σχέδιο, την Αναλυτική Μηχανή, που θα ήταν ικανή για οποιοδήποτε μαθηματικό υπολογισμό και όχι μόνο για τις πράξεις που απαιτούνται για την κατασκευή των πινάκων. Η μηχανή αυτή θα είχε επεξεργαστή που θα έκανε τις πράξεις, μνήμη για την αποθήκευση των αριθμών και την ικανότητα να μεταβάλλει τη λειτουργία της με βάση τα δεδομένα που θα εισήγε ο χειριστής της μέσω διάτρητων καρτών. Υπό μία έννοια ήταν το μηχανικό, βικτοριανό ανάλογο ενός σύγχρονου ηλεκτρονικού υπολογιστή. Εχοντας εγκαταλείψει το έργο για το οποίο χρηματοδοτήθηκε, ο Μπάμπατζ έχασε κάθε δυνατότητα για νέα κρατική χρηματοδότηση. Η μηχανή του είχε μεγάλες απαιτήσεις για την κατασκευή της και καμιά επιχείρηση ή κράτος δε χρειαζόταν μια τέτοια συσκευή. Η ανθρώπινη εργασία ήταν ακόμη πολύ φτηνή. Οι χιλιάδες σελίδες όπου περιγράφει την Αναλυτική Μηχανή έμειναν στην αφάνεια και μελετήθηκαν από επιστήμονες μόνο τη δεκαετία του 1970, όταν είχε ήδη προχωρήσει η εποχή των ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Το σύστημα προβολής στα μη ψηφιοποιημένα πλανητάρια είναι ένα είδος αναλογικού υπολογιστή, καθώς μπορεί να αναπαράγει ένα φυσικό ανάλογο της κίνησης των άστρων και των πλανητών χωρίς δυαδικούς υπολογισμούς. Αν και δεν είναι αρκετά ακριβές για χρήση ως αστρονομικός υπολογιστής, κάνει εξαιρετικά τη δουλειά του στα πλανητάρια

Υπολογιστικές μηχανές απλούστερες από εκείνες του Μπάμπατζ είχαν εφευρεθεί και το 17ο αιώνα, όπως η μηχανή υπολογισμού λογαρίθμων του Νάπιερ (1614), ο λογαριθμικός κανόνας του Οτρεντ (1625), η μηχανή προσθαφαιρέσεων του Πασκάλ (1642). Το 1801 η υφαντική μηχανή του Ζακάρ (1801) χρησιμοποίησε για πρώτη φορά μεταλλικές διάτρητες κάρτες για το σχέδιο ύφανσης.

Μια ομάδα «ανθρώπινων υπολογιστών» του 1890 εξετάζει εκατοντάδες χιλιάδες φωτογραφικές πλάκες από το αστεροσκοπείο του Χάρβαρντ, καταγράφοντας και ταξινομώντας τα άστρα με βάση το χρώμα, τη θέση και τη φωτεινότητά τους

Βάσιμα μπορούμε να θεωρήσουμε ως πρώτο υπολογιστή τον περίφημο μηχανισμό των Αντικυθήρων (γύρω στο 100 π.Χ.), που ήταν μια ειδική συσκευή με σκοπό όχι τον υπολογισμό μαθηματικών πινάκων, αλλά τον υπολογισμό μιας πλειάδας αστρονομικών φαινομένων. Η διαφορά είναι ότι ο μηχανισμός των Αντικυθήρων είναι αναλογικός υπολογιστής, ενώ οι κατασκευές του Μπάμπατζ αντιστοιχούν στους σημερινούς ψηφιακούς υπολογιστές.

Πολεμικές ανάγκες

Οι αναλογικοί υπολογιστές ήταν η εκ νέου ανακάλυψη την περίοδο πριν και κατά το Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο της δυνατότητας οι μηχανές να κάνουν γρήγορα υπολογισμούς. Οι αναλογικοί υπολογιστές λειτουργούν ως μηχανικό ανάλογο (μοντέλο) του συστήματος του οποίου τις παραμέτρους πρόκειται να υπολογίσουν. Για να υπολογιστεί, π.χ., η επόμενη έκλειψη ηλίου ένας τρόπος είναι να επιλυθούν αριθμητικά οι νόμοι κίνησης του Κέπλερ. Πριν τους ψηφιακούς υπολογιστές, ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό ήταν οι ανθρώπινοι υπολογιστές. Ο άλλος τρόπος είναι η κατασκευή ενός μοντέλου του ηλιακού συστήματος με γρανάζια και άξονες που θα «τρέξει» το χρόνο στο μέλλον, δείχνοντας την επόμενη έκλειψη. Τέτοιες υπολογιστικές μηχανές με γρανάζια είχαν χρησιμοποιηθεί στις αρχές του πολέμου για τον υπολογισμό των βολών πυροβολικού μέσα σε 20 λεπτά, αντί των 2 ημερών που απαιτούσε η πραγματοποίηση των πράξεων με το χέρι.

Η επιστήμη των υπολογιστών μπήκε στην ηλεκτρονική εποχή με τον εικονιζόμενο ENIAC, που χρησιμοποιούσε χιλιάδες ηλεκτρονικές λυχνίες κενού για την πραγματοποίηση υπολογισμών, αλλά και την αποθήκευση των ενδιάμεσων αποτελεσμάτων. Κατανάλωνε 150 κιλοβάτ ηλεκτρικής ισχύος, δηλαδή το ισοδύναμο με την κατανάλωση 1.000 σύγχρονων προσωπικών υπολογιστών, ο καθένας από τους οποίους είναι χιλιάδες φορές πιο γρήγορος από τον ENIAC

Οταν μπήκαν οι ΗΠΑ στον ιμπεριαλιστικό πόλεμο – εκδοχή κι αυτός των αναγκών της καπιταλιστικής ανάπτυξης – οι ανάγκες του πυροβολικού της χώρας μεγάλωσαν, με αποτέλεσμα την κατασκευή του ENIAC (από τα αρχικά στα αγγλικά της ονομασίας Ηλεκτρονικός Αριθμητικός Ολοκληρωτής και Υπολογιστής), του πρώτου επαναπρογραμματιζόμενου ψηφιακού ηλεκτρονικού υπολογιστή μεγάλης κλίμακας. Αν και δεν πρόλαβε να χρησιμοποιηθεί για στρατιωτικούς σκοπούς, ο ENIAC έκανε 5.000 προσθέσεις το δευτερόλεπτο και υπολόγιζε την τροχιά ενός βλήματος σε λιγότερο χρόνο απ’ όσο χρειαζόταν για να φτάσει αυτό στο στόχο του. Ομως, ο προγραμματισμός της συσκευής με έναν κυκεώνα καλωδίων απαιτούσε μέρες.

Αρχιτεκτονική που «κλείδωσε»

Στην κατασκευή του επόμενης γενιάς ηλεκτρονικού υπολογιστή, του EDVAC, συμμετείχε ο ουγγρικής καταγωγής μαθηματικός Τζον φον Νόιμαν. Στηριγμένος και στις θεωρητικές μελέτες του Βρετανού Αλαν Τούρινγκ, ο Νόιμαν βοήθησε στη μεταβολή της αντίληψης για τον υπολογιστή από μαθηματικό εργαλείο σε γενική μηχανή επεξεργασίας πληροφοριών. Καθόρισε μια αρχιτεκτονική για τους υπολογιστές, με πέντε συστατικά στοιχεία: Τη μνήμη, που χρησιμοποιείται όχι μόνο για την αποθήκευση αριθμών αλλά και εντολών, την αριθμητική μονάδα που κάνει τις πράξεις, το σύστημα εισόδου για την εισαγωγή δεδομένων και εντολών, το σύστημα εξόδου για την αποτύπωση των αποτελεσμάτων και τη μονάδα ελέγχου για το συντονισμό των λειτουργιών. Ουσιαστικά η αρχιτεκτονική αυτή παραμένει αμετάβλητη μέχρι σήμερα, αν και έχουν αρχίσει να διερευνώνται άλλες αρχιτεκτονικές, τόσο στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές (παράλληλη επεξεργασία), όσο και στους υπό μελέτη κβαντικούς και βιολογικούς υπολογιστές (μέσω DNA).

Η αντικατάσταση των λυχνιών κενού με τρανζίστορ και η συμπύκνωση τεράστιου αριθμού τρανζίστορ στα ολοκληρωμένα κυκλώματα οδήγησαν στην κατασκευή των απίστευτα ισχυρών σύγχρονων μικροεπεξεργαστών. Η τεράστια ανάπτυξη των παραγωγικών δυνάμεων και της παραγωγικότητας της εργασίας, ιδίως τις τελευταίες δεκαετίες, ωθεί και ωθείται από τη ραγδαία εξέλιξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών.