Джордж Роберт Штибиц (George Robert Stibitz) — выдающийся американский ученый и физик, который считается одним из творцов современных цифровых компьютеров. Он работал исследователем в компании Bell Labs — крупного исследовательского центра в области телекоммуникаций, электронных и компьютерных систем. В 30-40 годы Штибиц занимался успешной реализацией положений логики Буля, с использованием в качестве переключателей электромеханические реле. В 1937 году ученый собрал первую в США электромеханическую схему выполняющую операцию двоичного сложения.



Джордж Роберт Штибиц (30 апреля 1904 года — 31 января 1995 года)


Идея применения электромагнитные реле для создания счетной машины нового образца возникла у Штибица спонтанно, когда он находился у себя дома. Не теряя времени, исследователь начал сборку нового вычислителя прямо у себя на кухне. При этом Штибтц использовал все сподручные материалы: доски, жестяные банки, коробку из-под табака, лампочки от фонаря, пару реле и провода. Из всего этого набора ему удалось собрать примитивную электросхему, которая даже могла складывать два двоичных числа и демонстрировала результат сложения. Джордж назвал самодельную машину Model K, где k пошло от «kitchen» — кухня (в честь места «рождения» машины).



Рабочая схема Model K

Штибиц был уверен, что на основе реле можно создать устройство, способное осуществлять последовательные вычисления и запоминать их промежуточные и окончательные результаты. В частности, такая машина могла бы умножать и делить комплексные числа, поскольку эти операции занимали много времени у сотрудников его отдела, занятых разработкой усилителей и фильтров.



Реализация Model K



Начальство компании Bell Labs одобрило проект и началась разработка вычислительного устройства. За период с 1939 года по 1940 год Штибиц, совместно с коллегой инженером Сэмюэлем Б. Уильямсом (Samuel B. Williams), создал устройство, которое умело складывать комплексные числа и выполнять операции вычитания, умножения, деления. Штибиц был архитектором машины, а Уильямс — главным инженером. Изобретение назвали калькулятором комплексных чисел CNC (The Complex Number Calculator), известную также как Model I. Демонстрация устройства проходила в в Дармутском колледже (хотя сам калькулятор находился в Нью-Йорке). Во время презентации CNC впервые был использован удаленный доступ к вычислительным ресурсам. Связь осуществлялась с помощью применения телетайпа по специальным телефонным линиям.

Из воспоминаний Штибица:

Когда работа была закончена, мы с Сэмом вымыли руки и вернулись к нашим повседневным занятиям, отрываясь от них время от времени для того, чтобы взглянуть на наше детище и убедиться, что оно хорошо «ест» и «спит».

В Model I насчитывалось всего 450 двухполюсных и десять многополюсных реле, которые служили для хранения входных данных и промежуточных результатов. Использовалась арифметика с запятой, фиксированной перед первым значащим разрядом числа. Кодирование («Штибиц-код») десятичной цифры происходило с помощью четырех реле так, что каждая цифра n представлялась двоичным кодом n+3. Оно упрощало выполнение операций переноса и вычитания.

Таблица со значениями кода Штибица для десятичных цифр (также для сравнения указан их прямой код):

Исходная цифра	Прямой код	Код Штибица
0	0000	0011
1	0001	0100
2	0010	0101
3	0011	0110
4	0100	0111
5	0101	1000
6	0110	1001
7	0111	1010
8	1000	1011
9	1001	1100

CNC использовал аппаратный контроль если срабатывало больше одного реле в пятёрке или в старшем разряде контрольная цепь выдавала сигнал ошибки.



Model I

Model I работала с 10-разрядными числами, но печатались только восемь разрядов (оставшиеся служили для округления результата). Устройство было непрограммируемой машиной с четко установленной последовательностью действий. Каждая следующая операция начиналась после завершения предыдущей, поэтому можно было прервать работу машины. В качестве устройства ввода/вывода данных использовался один из трех стандартных телетайпов с модифицированной клавиатурой. CNC находилась в отдельной комнате, а связь оператора с машиной осуществлялась дистанционно с помощью многожильных кабелей. Через них к устройству подключались телетайпы, установленные в специальном помещении. Быстродействие Model I составляло примерно одно умножение в минуту.

Как уже упоминалось, Штибиц первым успешно продемонстрировал удаленный доступ к вычислительному устройству. Осенью 1940 года в Ганновере (штат Нью-Гемпшир) проходило заседание Американского математического общества на котором состоялась презентация Model I. Штибиц выступил перед собравшимися с докладом о CNC, продемонстрировав ее работу. С помощью телетайпа и телефонного кабеля удалось подключить к калькулятору в Дартмутском колледже три терминала, которые находились в Нью-Йорке. По кабелю передавались данные и результаты вычислений. С машиной остался Уильямс, чтобы следить за ее работой.



Девушка-оператор за пультом управления Model I

Презентация впечатлила присутствующих на заседании ученых, таких как: Джон фон Нейман, Норберт Винер, Ричард Курант. Участники смогли самостоятельно протестировать машину и поработать за телетайпным пультом. Model I стала началом эры телекоммуникации, когда по телефонным каналам передавались кодированные машинные данные.

Model I работала с 1940 года до 1949 год. Она активно использовалась для внутренних нужд компании Bell Labs. На изготовление вычислительного устройства ушло около $20 000.

После успешного старта первой модели Штибиц перешел в Комитет по исследованиям в области национальной обороны (National Defense Research Committee, NDRC). Он собирался взяться за создание более универсальной машины. С началом Второй мировой войны компания Bell Labs занялась разработкой прибора управления артиллерийским зенитным орудием модели M-9. Это было достаточно сложное электромеханическое устройство, которое умело наводить артиллерийское орудие на движущуюся в воздухе цель. Перед серийным выпуском оружия, его тестировали, проверяли точность стрельбы и т.д. Весь этот процесс сопровождался постоянными вычислениями и дабы сократить их объемы, упростить подсчеты, Штибиц предложил создать специализированную вычислительную машину — Релейный интерполятор (Relay Interpolator) или Model II. Кроме того Model I была специализированной вычислительной машиной и не имела устройства для автоматического управления расчетами. Такое устройство появилось в Model II, управляемой с помощью программы, “нанесенной” на перфоленту. В 1943 году Model II ввели в действие. Техническим руководителем стал Э. Дж. Эндрюс.

Model II была программно-управляемой машиной со стандартной пятиканальной лентой, которая использовалась в качестве носителя программы. Она содержала около 440 реле, выполняла лишь операции сложения и вычитания. В устройстве находилось несколько программных лент, благодаря чему можно было применять различные методы интерполяции.



Штибиц со своим первым изобретением

Интерполятор работал в круглосуточном режиме, был весьма надежным из-за двоично-пятеричной (bi-quinary) системы кодирования десятичных цифр. Каждый десятичный разряд представлялся двумя цифрами. Одна из них была цифрой пятеричной системы и принимала значения от 0 до 4. Другая была цифрой двоичной системы. В результате для представления любой десятичной цифры требовалось семь реле, хотя в каждый момент времени включались только два. Данная система кодирования давала возможность проводить простой аппаратный контроль правильности работы интерполятора на каждом шаге вычислений. В последующие годы она применялась во всех релейных машинах Bell Labs и в ряде вычислительных машин других компаний.

Релейные компьютеры были менее популярны чем электрические и электромеханические аналоговые устройства, которые превосходили первых по быстродействию. Этот момент постарались учесть в машинах Model III (известную также как «Баллистическая вычислительная машина”) и Model IV. Они тоже были релейными, но с увеличенным количеством реле (до 1400). Кроме того машины стали более производительными и надежными, включали по десять регистров памяти. К ним могло подключаться до семи телетайпов. Обе машины выполняли работу ста вычислителей с настольными счетными машинками. Устройства умели считывать с перфоленты таблицы нескольких переменных и выполняли интерполяцию. Model III еще решала баллистические уравнения, описывающие путь воздушной цели

Машины Model III и Model IV эксплуатировались почти 15 лет.

В 1946 году была разработана универсальная релейная вычислительная машина Model V, насчитывающая шесть процессоров по 9000 реле в каждом. Это была наиболее значимая разработка компании Bell Labs.



Релейная машина Model V

Model V была сверхнадежной и точной машиной. Запоминающее устройство состояло из тридцати 8-разрядных регистров. Ввод и вывод данных производился через перфоленты, числа представлялись в форме с плавающей запятой. Можно было даже извлекать квадратный корень и вычислять функции типа sin(x), log(x), 10x. Для этого в машине находились специальные блоки. Время выполнения арифметических операций: деление — 2,7 секунды; извлечение квадратного корня — 4,5 секунды; вычисление логарифма — 15 секунд. В машине присутствовало два идентичных арифметических устройства (АУ), с каждым из которых связывались 15 регистров памяти. Благодаря этому можно было решать одновременно сразу две задачи. Или же объединить оба АУ для выполнения более сложных вычислений. Во время работы в машину могла быть загружена новая программа, выполнением которой занималось свободное АУ. Помимо этого предусматривалась возможность одновременно использовать нескольких программных перфолент. В зависимости от результатов промежуточных расчетов, устройство управления подключало одну из них. Таким образом создавалось подобие ветвления программы.

Весила машина около 10 тонн и обошлась заказчикам в $500 000.

Model V проработала до 1956 года, после чего перешла во владение Политехнического института города Бруклин.