Текст книги "Пиксель. История одной точки"

Baby родился 21 июня 1948 года в Манчестерском университете. Уильямс и Килбурн спроектировали и построили его с нуля в зловонной лаборатории на факультете электротехники. Они сделали его собственноручно. Килбурн сам написал первую программу для него. Они объявили о рождении Baby – с отцовской гордостью, как мне кажется – в сентябрьском номере престижного научного журнала Nature.

Ньюман, намеревавшийся заманить Тьюринга в проект, пребывал в башне из слоновой кости – он работал на факультете математики Манчестерского университета. После положительного опыта работы с почти-компьютером Colossus в Блетчли-Парке он планировал заполучить полноценный компьютер для Манчестерского университета. Он всерьез порывался пригласить американцев в лице фон Неймана и даже начал с ним переписку, когда обнаружил, что домашняя команда Манчестера, состоящая из Уильямса и Килбурна, уже опередила янки. Он быстро переориентировался и через пропасть, разделяющую башню из слоновой кости и зловонную лабораторию, начал консультироваться с ними по поводу Baby.

Первую программу для Baby написал Килбурн, а не Тьюринг. Тьюринг, готовясь к переезду в Манчестер, для начала попросил прислать ему набор машинных инструкций Baby. Он написал свою первую (глючную) программу для Baby в июле 1948 года, спустя примерно месяц после создания этого компьютера и все еще заочно. Он приехал в Манчестер только через три месяца, в октябре.

Манчестерские инженеры справедливо обиделись, потому что слишком много заслуг в истории Baby приписывают Ньюману и Тьюрингу, особенно если учесть, что Тьюринг появился в проекте слишком поздно. Отчасти это просто обычная история трений между учеными и инженерами, между башней из слоновой кости и зловонной лабораторией, но здесь затрагивается сложная проблема признания в правильной пропорции заслуг всех создателей сложного технического изобретения, значение которого изменило мир.

Впрочем, сами Уильямс и Килбурн утверждали, что Тьюринг и Ньюман непосредственно участвовали в создании Baby. В 1975 году Уильямс вспоминал: «Мы с Томом Килбурном ничего не знали о компьютерах, зато хорошо разбирались в [электронных] схемах. Профессор Ньюман и мистер А. М. Тьюринг много знали о компьютерах и почти ничего не знали об электронике. Они взяли нас за руку и объяснили, как числа могут жить в домиках с адресами и как, когда они там живут, за ними можно следить во время вычислений». Возможно, мы имеем дело с саркастическим проявлением чувства юмора Уильямса, а не с точным историческим изложением событий, но он повторил эту историю неоднократно.

Докторская диссертация Килбурна 1947 года еще больше усложнила историю Baby, поскольку в ее библиографии указаны «неопубликованные работы» Тьюринга и фон Неймана. Наверняка Килбурн имел в виду лекцию Тьюринга об ACE 1947 года и отчет фон Неймана EDVAC 1945 года. Хотя позже Уильямс отдавал должное только Тьюрингу и Ньюману (в шутке, что «числа могут жить в домиках с адресами»), они с Килбурном не использовали архитектуру Тьюринга. Килбурн прямо заявил, прослушав лекцию Тьюринга, что никогда не станет проектировать машину подобным образом. Они использовали для Baby архитектуру фон Неймана. На словах они отдали должное хозяевам поля, на котором играла их команда, но явно заимствовали идеи у команды соперников, у янки.

Baby успешно работал, а затем, так сказать, породил машину второго поколения. Mark I – сокращение от Manchester Mark I – выполнил первую программу без ошибок 18 июня 1949 года. Иногда указываются более ранние даты, но они неверны. Даже если исходить из столь позднего срока, Mark I все равно стал четвертым компьютером в мире. Тьюринг разработал первые спецификации его программного обеспечения[19]19
  В других источниках указывается, что это произошло в ночь с 16 на 17 июня 1949 года. – Прим. пер.


[Закрыть].

Mark I вскоре породил Ferranti Mark I, дебютировавший 12 февраля 1951 года как первый в мире коммерческий компьютер. В Ferranti – несмотря на свое название, это британская фирма – его поначалу назвали Madam («Madam с непредсказуемыми наклонностями», – остроумно пошутили журналисты The Guardian). На рекламном фото Тьюринг стоит, небрежно опираясь на консоль Madam. Он написал для нее руководство по программированию, как и для ACE.

Тем временем в Кембридже Морис Винсент Уилкс создавал EDSAC, который стал третьим компьютером в мире. Почему Тьюринга не пригласили присоединиться к этому проекту? В конце концов, отправиться в Кембридж было бы естественно, ведь Тьюринг окончил его Королевский колледж. Тьюринг, должно быть, обдумывал такую возможность, потому что посетил Уилкса в мае 1948 года, прежде чем в октябре присоединился к Ньюману в Манчестере.

Скорее всего, здесь сыграла роль их взаимная неприязнь. Тьюринг раздраженно прокомментировал свой визит к Уилксу: «Я не мог слушать, что он говорит». Ранее он критиковал предложение Уилкса, полагая, что оно «больше соответствует американской традиции решать проблемы с помощью увеличения количества оборудования, а не изобретательностью мысли». (Влияния этого расхожего стереотипа не избежал даже Тьюринг.)

Уилкс, в свою очередь, писал: «Я воспринимал Тьюринга излишне самоуверенным и считал, что его идеи сильно расходятся с тем, каким будет основное направление развития компьютеров».

Оба оказались по-своему правы. В итоге Уилкс стал черпать вдохновение непосредственно у фон Неймана из команды янки, а Тьюринг, как обычно, предпочел идти своим собственным путем, разрабатывая архитектуру (для ACE), которой заинтересовались лишь немногие.

EDSAC появился на свет 6 мая 1949 года, почти через год после Baby и незадолго до Mark I. Уилкс специально выбрал имя, похожее на EDVAC, концепцию фон Неймана, поэтому EDSAC ворвался на поле битвы, беззастенчиво размахивая звездно-полосатым.

В 1999 году я присутствовал на праздновании 50-летия компьютера в Кембридже. Оно посвящалось именно EDSAC как первому в мире компьютеру. В аудитории присутствовал мой старый знакомый из исследовательского центра Xerox в Пало-Альто Уильям Ньюман, сын Макса Ньюмана. Они с отцом жили в Манчестере, когда создавался Baby. Юный Уильям даже играл в настольные игры с Аланом Тьюрингом, когда тот работал в Манчестере. Уильям повернулся ко мне, когда Уилкс со сцены заявлял о приоритете EDSAC, и сказал в сдержанной британской манере: «У нас сохранились несколько иные воспоминания об этом».

В Америке фон Нейман (и его команда) создали отчет EDVAC и разработали на его основе настоящий компьютер. На самом деле компьютер EDVAC реально заработал намного позже, но это не важно. Архитектура фон Неймана, положенная в его основу, оказалась очень влиятельной идеей. А важный отчет EDVAC 1945 года сделал ее концепцию широко известной. Даже сегодня архитектура фон Неймана используется во многих компьютерах. Как ни удивительно, ее использовали даже британцы в компьютерах Baby и EDSAC. Таким образом, будет справедливо сказать, что сама идея машинных вычислений и компьютера с хранимой программой принадлежит Тьюрингу, но в действительности созданный компьютер – как самая эффективная машина в мире – восходит к идее фон Неймана, но с оговоркой, что Тьюринг и фон Нейман хорошо знали работы друг друга и явно отдавали друг другу должное.

Многочисленное потомство EDVAC, насчитывающее как минимум 16 компьютеров (6 из них показаны на блок-схеме), разрабатывалось во множестве мест одновременно. Напрямую от него произошел MANIAC, разработанный в Принституте командой, в которой фон Нейман руководил созданием программного обеспечения. MANIAC породил IBM 701, первый коммерческий компьютер Голубого Гиганта, положивший начало господству этой гигантской корпорации в сфере компьютеров.

Словно сочтя название MANIAC недостаточно забавным, EDVAC также породил Johnniac, получивший имя, конечно же, в честь Джонни фон Неймана. Такой шутливый подход к выбору названий для компьютеров подарил нам EMERAC из фильма «Кабинетный гарнитур» 1957 года, где компьютер, ласково прозванный Эмми, соперничал с Кэтрин Хепбёрн за внимание Спенсера Трейси и отбирал у нее работу. Им же вдохновлено имя Брейниака – суперзлодея и соперника Супермена из комиксов издательства DC. Хотя AC в ранних аббревиатурах обычно обозначало «автоматический компьютер», у MANIAC оно расшифровывается как «и компьютер» (and computer), а у EDSAC – «автоматический калькулятор» (у выдуманного компьютера EMERAC это сокращение означает «арифметический калькулятор» и полностью упускает смысл).

Шутки в названиях снова отсылают нас к противостоянию между башнями из слоновой кости и зловонными лабораториями в Принституте, который получил свое несколько обидное прозвище, чтобы избежать путаницы между Институтом перспективных исследований в Принстоне и Принстонским университетом. Никто из обитателей башни из слоновой кости – а именно они составляли основной контингент Института перспективных исследований – не осмелился бы произнести смешное имя MANIAC. Эти пуристы называли его «машина Принстонского института перспективных исследований» или «машина IAS» – формальным, но легко вылетающим из памяти названием. Они смирились с присутствием на своей священной территории инженеров, орудующих вонючими паяльниками, но не с ребяческими шутками (несомненно, их перекосило бы даже от слова «Принститут»). Только благодаря фон Нейману в Принституте витали запахи расплавленного припоя, канифоли и ацетона. Точнее, так было до тех пор, пока он продолжал там работать. Сразу же после его смерти в 1957 году – всего через три года после таинственной гибели Тьюринга – инженеров оттуда изгнали, а вместе с ними Принститут лишился и потенциальной возможности стать центром научной информатики.

Фон Нейман заметил, что на основе теоретических разработок EDVAC почти-компьютер ENIAC можно превратить в настоящий, модифицировав его аппаратное обеспечение. Когда все было сделано, Герман Голдстайн, руководивший проектом коллега фон Неймана, записал, что программируемая версия ENIAC (в этой книге я называю ее ENIAC+), начала полноценную работу 16 сентября 1948 года на Абердинском испытательном полигоне в Мэриленде. Адель, жена Голдстайна, помогала его программировать. ENIAC+ в своей крошечной памяти хранил всего несколько десятков инструкций, поэтому был таким же малышом, как Baby, но его уже можно назвать компьютером.

Упомянутая Голдстайном дата делает ENIAC+ вторым компьютером в мире. Однако новые данные убедительно свидетельствуют, что гонка с Baby проходила гораздо более напряженно. ENIAC+ родился где-то между 6 апреля и 12 июля 1948 года – в зависимости от того, сколько инструкций реализовывалось в каждый момент времени. Иначе говоря, он преследовал движущуюся цель, хотя чем ближе к концу интервала, когда дальнейшие улучшения прекратились, тем дата выглядит убедительнее. Исходя из самой осторожной версии, мы получаем альтернативную дату рождения ENIAC+ – 12 июля 1948 года, меньше чем через месяц после рождения Baby.

Но в письме Джону фон Нейману от 12 мая 1948 года Станислав Улам пишет: «Я слышал от Ника [Метрополиса] по телефону, что чудо Eniac действительно случилось и что он произвел 25 000 карт (теперь уже намного больше?). Это и в самом деле замечательное известие, особенно если Ник утверждает, что они (карты) кажутся вполне достоверными». Впечатляющее свидетельство. В нем один из создателей водородной бомбы заявляет другому, что ENIAC+ успешно выдал результат вычислений сложной программы по моделированию водородной бомбы до 12 мая 1948 года, то есть более чем за месяц до 21 июня – даты рождения Baby. Вне зависимости от того, по каким критериям мы судим эту гонку, ENIAC+ – это значительное достижение, ранее не получавшее достаточного признания.

Если посмотреть на соревнование британцев и янки с олимпийской точки зрения, сравнив количество медалей в общем зачете, то к концу 1948 года счет стал 1:1 (Baby – ENIAC+). К середине 1949 года вперед вырвались британцы – 3:1 (EDSAC – Mark I). Но затем янки заработали очки своими важными (но уже не столь не значительными) машинами: Гарри Хаски, инженер, работавший на обе команды, построил Zephyr в Национальном бюро стандартов (NBS) в Лос-Анджелесе. Этот очередной потомок EDVAC (впоследствии переименованный в SWAC) заработал в августе 1950 года. Затем в апреле 1951 года в Массачусетском технологическом институте (MIT) запустили Whirlwind Джея Форрестера, еще одно порождение EDVAC. Возможно, его тестовая версия появилась раньше, в августе 1949 года, и его название Whirlwind– («Вихрь минус») задумывалось в духе ENIAC+. Американцы снова увеличили счет в 1952 году благодаря маниакальной самоотверженности команды фон Неймана в Принституте с их MANIAC, а в 1953 году – с IBM 701. Янки вырвались вперед и теперь могли не оглядываться. Остальной мир тоже включился в соревнование. К 1953 году примерно в дюжине стран было реализовано 150 компьютерных проектов.

Итак, компьютер родился. По большому счету он еще не отличался высокой скоростью. Потребуется экспоненциальный «галоп» закона Мура, чтобы действительно совершить прорыв в Эпоху 2. Но все, что требовалось для полноценного Цифрового Света, наконец-то появилось: волны Фурье, отсчеты Котельникова и компьютерные вычисления Тьюринга.

Британцы соперничали с американцами не только в гонке за первенство в создании компьютера. Они еще конкурировали в разработке самой быстрой памяти. К счастью для Цифрового Света, обе команды искали решения в области видимых единиц памяти на вакуумных приборах. Обе команды будут хранить биты в виде отображаемых точек разного размера на двумерной сетке. Следовательно, каждое местоположение представляло собой как однобитовый отображенный пиксель, так и однобитовую ячейку памяти. Британцы выиграли сет, а затем и матч, адаптировав обычную электронно-лучевую трубку – трубку Уильямса. Янки сразу же внедрили у себя и это решение.

Компьютер-карточка или любая универсальная машина Тьюринга использует в качестве памяти бесконечную ленту. Бесконечная лента может хранить бесконечное количество паттернов – здесь имеется в виду бесконечность счетного или цифрового типа. Это нормально для идеальной машины, но настоящему компьютеру нужна физическая, то есть конечная память. Но пусть слово «конечная» не вводит вас в заблуждение. Даже первый компьютер запоминал огромное количество паттернов.

Фактическое число настолько велико, что просто бессмысленно. Забавное число гугол – единица с сотней нулей – сильно занижает количество состояний, которые были даже у маленького Baby. Компания Google названа в честь этого числа, но основатели написали его с ошибкой. Еще более забавное число гуголплекс – единица с гуголом нулей – существенно преувеличивает количество комбинаций даже в самом мощном современном компьютере. Диапазон между гуголом и гуголплексом дает нам представление о количестве возможных комбинаций паттернов в компьютере. С другой стороны, тщательно поразмыслив, вы осознаете, что безумно большое число находится где-то между двумя другими безумно большими числами. Важнее всего, что компьютер позволяет нам, жалким людишкам, иметь дело с величинами такого огромного размера, не думая и даже не зная о них, и так было с самого начала.

Инженерам обеих команд, стоявшим у истоков, пришлось выбрать практичное запоминающее устройство для сохранения всех этих многочисленных состояний. В обоих случаях они остановились на некоем варианте электронной лампы, в основном из-за скорости. Британцы, одержавшие победу в этой игре, выбрали для работы электронно-лучевую трубку. До Великой цифровой конвергенции такие трубки были очень распространены. Но моя книга посвящена Великой цифровой конвергенции, одним из последствий которой стала смерть аналогового телевидения. Ранее без электронно-лучевой трубки, похожей на гигантскую стеклянную бутылку, не обходился ни один телевизор – непременный атрибут каждого дома. Ее широкое и плоское «дно» – это экран. В те далекие времена ее называли кинескопом или – ласково – просто трубкой.

Затем инженеры придумали способ «перемещения» битов по трубке, цифровое использование аналогового устройства. Общеизвестно, что электрический ток – это поток электронов, а металлическая проволока – хороший проводник для него. В каждом доме протянута сеть медных проводов, направляющих электрический ток к розеткам. Менее известно, что электрический ток способен течь и через вакуум – через ничто.

Нечто подобное и происходит в электронно-лучевой трубке. Электронная «пушка» – нагретая проволока – испускает электроны, как бы «выстреливает» ими из тонкого конца трубки в дальний широкий и плоский конец. При попадании воздуха в трубку электроны столкнутся с его молекулами, изменят направление и потеряют энергию. Чтобы этого не избежать, весь воздух из трубки выкачивается, из-за чего она становится… правильно! Вакуумной! Высокое напряжение разгоняет электроны, летящие с одного конца трубки к другому. Мы называем нагретый кусок проволоки катодом, поток электронов, выпущенных из пушки, – катодным лучом, а все устройство в целом – электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ).

Но мы не видим сами электроны. В ЭЛТ должно быть еще что-то, преобразующее электроны в фотоны, в видимый свет. Это покрытие на плоском конце трубки, которое фосфоресцирует – излучает свет – при попадании на него электронов. Покрытие из так называемых люминофоров поглощает энергию электронов и испускает фотоны. Люминофор светится, когда в него попадает луч из электронной пушки. Чем выше энергия катодного луча, тем больше испускается фотонов и тем ярче свечение. Свечение наиболее яркое в центре луча, а по мере удаления от центра плавно затухает. Оно имеет необходимую форму, чтобы представлять собой вполне приличный «разбрасыватель» пикселей.

Причина, по которой ЭЛТ работает как запоминающее устройство, заключается в том, что свечение сохраняется на короткий промежуток времени после того, как катодный луч перестает посылать электроны. В течение этого интервала (допустим, одной пятой секунды) бит, представленный свечением, «запоминается». Его можно использовать до тех пор, пока он не потухнет. Таким образом, методично перерисовывая – освежая – пятно до того, как оно исчезнет (скажем, пять раз в секунду), мы автоматически делаем так, чтобы память хранилась столько, сколько мы пожелаем. Мы, люди, видим только, что точка отображается на экране и остается там. Иногда я говорю, что пятно пишется или рисуется на экране, но и то и другое означает одно и то же: оно отображается на нем.

Но светящееся пятно только в центре экрана – это скучно. Чего нам пока не хватает, так это способа рисования светового пятна в любом месте на экране ЭЛТ. Нам нужно «согнуть» катодный луч так, чтобы электроны попадали на экран в любом месте, где мы хотим получить свечение, а не только в центре. Для Цифрового Света нам нужна возможность рисовать массив отображенных пикселей.

К счастью, важное свойство движущегося электрона – искривление его траектории при прохождении через магнитное поле. Точно так же, как световой луч преломляется, проходя через стеклянную линзу, катодный луч искривляется, проходя между полюсами магнита. Электромагниты, установленные рядом с электронной пушкой в электронно-лучевой трубке, делают свое дело. Один магнит управляет отклонением луча влево-вправо, а другой – вверх-вниз. Комбинации напряжения, поданные на два электромагнита, способны отклонить катодный луч в любом желаемом направлении и сделать это быстро. Вместо магнитных полей часто используются электрические, но их связывает одна и та же идея.

С помощью электрического или магнитного механизма наведения можно водить катодным лучом по светящейся поверхности экрана трубки и нарисовать им красивый правильный узор. Электронно-лучевая трубка, использованная в таком режиме каракулей (пишем где угодно и в любом направлении), – это векторный или каллиграфический (от греческого «красивый почерк»), дисплей. Катодный луч рисует S (рис. 4.8, слева) точно так же, как вы пишете на бумаге. Интенсивность луча сохраняется постоянно высокой. Правую букву S (рис. 4.8, справа) он рисует также каллиграфически, располагая импульсы-точки вдоль кривой, но не в регулярно расположенных узлах сетки. Пятна в этом случае не являются отображенными пикселями. Это просто пятна, и они могут иметь различную форму и располагаться на меняющемся расстоянии. Теорема выборки ничего о них не говорит. Именно поэтому векторные дисплеи, несмотря на все изящество их каллиграфии, не дожили до нового тысячелетия.

Другой вид отображения работает следующим образом: катодный луч методично сканирует прямоугольный участок – ряд за рядом слева направо, сверху вниз, как будто обрабатывая поле. Это называется растровым дисплеем, от латинского raster – «грабли». На рисунке 4.9 луч рисует букву S слева в растровом порядке, но плавно зажигаясь и угасая вдоль каждой строки. Старое аналоговое телевидение использовало именно такой метод. Тут опять же нет никаких пикселей, поэтому он тоже не дожил до нового тысячелетия. Зато более успешной оказалась его модификация, в которой луч рисует только в определенных точках – узлах воображаемой сетки вдоль каждой растровой строки. Луч справа на рисунке 4.9 создает букву S из пятен одинаковой формы и с фиксированными положениями на сетке. На самом деле это разбросанные пиксели, как того требует теорема выборки.

Даже во времена раннего Цифрового Света существовали значительные различия между вектором и растром. По иллюстрациям легко понять почему. Векторная картинка соблазнительно изящна. Но, несмотря на ее красоту, она не очень перспективна и ориентирована на будущее. Великая конвергенция всех типов мультимедиа в единую цифровую среду также привела к конвергенции всех типов отображения в такие, которые основаны на пикселях – растровом массиве или сетке. Из рисунка 4.9 (справа) совсем не очевидно, что это должно было сработать, но текст, который вы читаете, подтверждает, что оно прекрасно сработало. Благодаря теореме отсчетов растровые дисплеи с отображенными пикселями смогли воссоздать такую же красоту, как и векторные дисплеи с непрерывными каллиграфическими штрихами.

Рис. 4.8

Рис. 4.9

Не стоит забывать, что все современные дисплеи по своей сути аналоговые. Мы видим плавное и непрерывное изображение, хотя оно управляется абстрактными цифровыми пикселями. Акт отображения позволяет воспринимать отдельные пиксели как непрерывное поле света и цвета. Как мы уже видели в главе 2, когда речь шла о выборках, «разбрасывание» пикселей в момент отображения восстанавливает исходную визуальную сцену.

Современный цифровой мир принял допущение, что нам всегда будет доступен растровый дисплей, чтобы сделать наши пиксели видимыми. Нам, пользователям, никогда не придется разбираться в запутанных подробностях устройств отображения. Мы обращаем внимание на эти детали только потому, что первые дисплеи были и первыми устройствами машинной памяти.