Военно-Морской Исследовательский Вычислитель Боеприпасов (ВМИВБ, NORC) компании IBM
Оригинал статьи доступен на сайте columbia.edu
NORC, произведённый компанией IBM, был первым суперкомпьютером [1] и самой мощной вычислительной машиной на планете с 1954 по 1963 год, оставаясь в рабочем состоянии до 1968 года. Машина была построена в вычислительной лаборатории Уотсона в Колумбийском университете, расположенной на 115-й Улице в Нью-Йорке. Спецификации NORC были следующими [4,9]:
- Разделение чисел на целую и дробную части и операции с плавающей запятой.
- Размер слова: 16 десятичных чисел + контрольное число (64 + 2 бита).
- 64 трёхадресные инструкции.
- Кратность отсчёта: 1 миллисекунда (мс).
- 15000 операций в секунду с автоматической проверкой ошибок.
- Два универсальных реестра, обработка 1 миллиона чисел в секунду.
- Три реестра адресов\индексов.
- Время на операцию сложения – 15мс, умножения – 31мс, деления – 227мс.
- Емкость памяти случайного доступа на 264 электронно-лучевых трубках Уильямса (ЭЛТ) : 3600 слов, время обращения – 8мс.
- Магнитная лента: 8 блоков, 4 дорожки, 510 точек на дюйм, скорость считывания – 71500 точек в секунду.
- Принтеры: 2 блока, 120 точек на строку, скорость печати – 150 строк в минуту.
- Автономный конвертер карт\лент.
- Консоль управления: Десятичное отображение содержимого реестра, ручное управление, индикаторы состояния.
- Возможность замены комплектующих (сменные блоки).
- Стоимость: $2,5 млн (в ценах 1950 года).
- Прибыль компании IBM: $1 [40].
Память на ЭЛТ была заменена памятью на ферритных носителях ёмкостью 20000 слов и быстродействием 8мс благодаря контракту с Daystrom Instrument, заключённом в 1958 году. Модуль памяти должен был быть поставлен в середине 1959-го, но по факту он был поставлен только в марте 1960-го. Если верить отчётам того времени, память на трубках Уильямса обеспечивала запоминание 2000, а не 3600 слов. Поэтому можно говорить о десятикратном увеличении емкости памяти и «уменьшении расходов на обслуживание и устранении ошибок благодаря новой памяти… что дало дополнительный час полезной работы каждые сутки» [115, 116].
Надежность была одной из главных целей для разработчиков NORC, начиная с дизайна и конструкции машины и заканчивая достижением большей длительности операционного цикла. То, что машина проработала 14 лет, лучше всего доказывает успешность этих попыток. На ныне удалённой странице на сайте Манчестерского университета, посвященной NORC, отмечалось, что «Несмотря на сложность конструкции, NORC работал 92% времени с производительностью в 15000 операций в секунду – такой надёжности позавидовали бы многие его преемники».
«Для того, чтобы собрать NORC из отдельных блоков, потребовалось более 60 человек. Части компьютера изготавливались IBM и рядом мелких субподрядчиков в Нью-Йорке, включая одного из Паттерсона, штат Нью-Джерси, который использовал почасовой труд домохозяек для сборки проводки вручную» [40]. Помимо этого, Экспедитор Майк (Майкл Плам) совершал ежедневные вылазки на Кортлэнд и Канал-стрит за деталями [59]. Со стороны лаборатории Уотсона над NORC работали [9, 61]:
| Ответственный инженер: | Байрон Хэвенс |
| Помощник руководителя проекта: | У.Дж. Дирхейк |
| Разработка логики и управления: | Кен Шрайнер |
| Схемотехника: | К. Р. Бордерс |
| Механическое проектирование: | Роберт Шуберт |
| Программирование: | Йоахим Джинед |
«Хотя NORC был бесценным и уникальным аппаратом, стоящим в стороне от тенденций развития компьютерной техники, его влияние на другие машины ощущалось еще много лет. Когда его только разрабатывали, инженеры, работавшие над машиной 701, не только использовали микросекундную схему задержки, но также извлекли плоды из работы Дирхейка над устранением трудностей в электростатическом накопителе, который использовался и в 701» [9]. Также NORC был оснащен первым каналом ввода-вывода, который синхронизировал поток входящих и исходящих данных, избавляя тем самым от этой работы центральный процессор. Этот принцип работы быстро переняли во всей отрасли.
Вот другое изображение машины. Это фото было опубликовано в журнале «Бизнес-машины» 23 декабря 1958 года [58]; Байрон Хэвенс справа. Эта копия (так же и фото в начале статьи) было отсканировано с оригинальной глянцевой фотографии, размещённой в пресс-ките IBM, который был предоставлен Кеном Шрайнером, главным инженером по логике и управлению в проекте NORC.
Военно-Морской Центр Надводного Вооружения в Далгрене, штат Вирджиния, был первым центром военно-морских вычислений США, именно там в 1948 году был установлен разработанный Говардом Айкеном Марк II, а затем Марк III в 1951 году. Им на смену пришел Военно-Морской Вычислитель Боевых Припасов (NORC), разработанный в научной вычислительной лаборатории Уотсона под руководством Уоллеса Эккерта. Изначально планировалось установить NORC на базу в Уайт Оак под Вашингтоном, однако затем было решено отправить машину в руки опытной команды в Далгрен. Физик Эдвард Теллер пытался выбить NORC для национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора, аргументируя это тем, что ядерные вычисления, проводимые в лаборатории, важнее, чем баллистические расчёты в Далгрене. Флот отстоял- таки NORC, и машина была торжественно передана в Далгрен 2 декабря 1954. Джон фон Нейман, который как раз закончил работу на машине IAS, стал основным докладчиком на церемонии.
(На самом деле, церемония вручения проходила в лаборатории Уотсона, а NORC была передана в Далгрен только летом 1955 года [4].)
Презентация NORC
На церемонии передачи NORC 2 декабря 1954 года: Глава IBM Томас Дж. Уотсон, Контр-Адмирал Е.А. Соломонс (исполнительный комитет, секретарь Военно-морского флота), Джаннет Уотсон (миссис Уотсон-старшая), профессор Колумбийского университета Уоллес Эккерт, Джон фон Нейман, капитан С. К. Бергин (Директор по НИОКР, бюро боеприпасов, Департамент военно-морского флота), контр-адмирал С. Г. Гарфилд (исполнительный комитет, секретарь Военно-морского флота) [9,59,61]:
Адмирал Соломонс командовал эсминцем USS Morris, который участвовал в боях на Коралловом море и при Мидуэе и был окончательно выведен из строя атакой камикадзе около Окинавы. Не попали в кадр, но также присутствовали: будущий глава IBM Томас Уотсон-младший, Вице-адмирал Дю Боз (который командовал крейсером USS Portland в битве при Мидуэе), глава Колумбийского университета Грейсон Кирк, главы других университетов, представители Колумбийского университета Бен Вуд и Хилетт Томас, некоторые официальные лица IBM, инженеры лаборатории Уотсона, участвовавшие в проекте NORC, а также около 200 других «научных, деловых и военных лидеров». На фоне можно видеть сам NORC, который по этому случаю высчитал число π с точностью до 3000 после запятой [9,58].
NORC мог использовать 3 ячейки одновременно («перемножить числа из ячеек А и Б и сохранить результат в ячейку В»). Он был запрограммирован непосредственно на машинном языке, ассемблеры появились позже. Кен Кинг (тогда один из «парней Уотсона», т. е. аспирант Колумбийского университета при лаборатории Уотсона) разработал демо-программу и откорректировал результаты следующим образом: «Я высчитал числа π и е (основание натурального логарифма) до миллиона знаков после запятой на презентации NORC, поточу что Джон фон Нейман хотел убедиться, что числа случайные» [65].
Кен Шрайнер [61] вспоминает: «Самые высокопоставленные гости прибыли утром, именно их и запечатлело фото на презентации NORC. Остальные (те упомянутые 200 человек) сначала приехали на фуршет в мужской Профессорский клуб (на 117-й улице с запада, на дальней стороне кампуса) … Главным докладчиком был Джон фон Нейман. После этого на протяжении нескольких часов разные гости ходили туда-сюда, осматривая машину, смотря демонстрации её работы и задавая вопросы. Поскольку это всё так растянулось по времени, не думаю, что на подъезде были пробки». (В 1954 году, в Колумбийском университете существовали отдельные мужской и женский Профессорские клубы, сейчас они объединены в общий Клуб)».
Кен Кинг вспоминает [65], что за те шесть месяцев, которые прошли между сборкой NORC и отправкой военным, «мы с Дэном Тайхо, оба аспиранты доктора Томаса, вычисляли на машине волновые функции атомов гелия (что было темой диссертации Тайхо)». Конечно, профессор Эккерт также имел доступ к машине и делал на ней вычисления положений Луны с помощью расчётов эфемерид непосредственно из уравнений Брауна. Это была титаническая задача, требующая расчёта 1650 тригонометрических слагаемых, многие из которых были с переменными коэффициентами. Однако точность расчётов была столь высока, что в 1965 году он смог предсказать положение концентрации масс около поверхности Луны (источник О’Коннор и Робертсон).
В 1958 году Эккерт сказал про NORC: «Расчёт, включающий в себя миллиард арифметических операций, займёт на NORC около суток. Думаю, что более мощные вычислительные комплексы смогут удовлетворять требованиям науки и технологии, ведь решение одной большой проблемы влечёт за собой еще бо̀льшие проблемы» [81].
Фотографии NORC
В данную галерею попали 6 фотографий из пресс-кита и NORC, выпущенного IBM в 1954 году, вырезки из газет, программа презентации, предоставленная Кеном Шрайнером, а также несколько других снимков. По словам профессора Эккерта, «большинство фотографий были сделаны А. Хаммерсом» [64]. Стоит отметить название «компьютер» в подписях к этим фото. Возможно, IBM впервые использовала данное слово (вместо «автоматический вычислитель» или «машина для обработки данных») для обозначения устройства с сохранённой в памяти программой вычислений.
| Фото | Описание IBM |
 | NORC, разработанный компанией IBM для военно-морских сил США, самый мощный компьютер из существующих. На фото показаны блок арифметики и логики (справа), пульт управления (по центру), блоки магнитной ленты (слева сзади), индикаторная панель (сзади) и принтер (слева на переднем плане). |
 | NORC … самый мощный большеразмерный электронный компьютер в истории. Он был создан в лаборатории Уотсона Колумбийского университета. На фото показан пульт управления (в центре), блок логики и арифметики (сзади), индикаторная панель (сзади слева), принтеры и блоки магнитной ленты (по краям слева и справа) |
 | На данном фото: на переднем плане один из двух принтеров, входящих в комплекс, производительность каждого из них 18000 знаков в минуту. Принтеры, которые записывают данные без прерывания вычислений, предоставляют оператору и математикам полную картину вычислений и распечатывают самые свежие результаты… Один и тот же оператор может запускать и останавливать расчёты и изменять программу расчёта прямо в ходе вычислений. |
 | На фото пульт управления NORC. Переключатели используются для старта и остановки машины, а также изменения программы. Однако в стандартном режиме работы, вычислитель работает автономно по программе, записанной на магнитную ленту, без контроля оператора. Любое число или инструкция в вычислителе могут быть показаны на гранях электронно-лучевых трубок, слева. Выбранные части программы также могут быть рассмотрены в замедленном режиме через этот дисплей |
 | Полностью электронная блок логики и арифметики ВМИБВ состоит из вакуумных ламп, резисторов, конденсаторов и кристаллических выпрямителей, расположенных в цепях. Эти схемы выполняют арифметические и другие логические операции и управляют остальными блоками машины. Данная схема, благодаря которой NORC столь высокопроизводительна, на данным момент является венцом продолжающейся работы ученых и инженеров по использованию скорости электрона для вычислений. |
 | Инструкции по вычислениям и программные данные считываются NORC с устройств сверхскоростной магнитной ленты, показанных здесь. Обеспечивая быстродействие, которое выше в 5 раз, чем самые быстрые существующие блоки магнитной ленты, каждый из этих восьми блоков может читать и печатать более 70 000 цифр в секунду, что эквивалентно скорости 14 000 машинисток. Помимо ввода-вывода данных ленты также хранят промежуточные результаты во время вычислений. |
 | План NORC, вид сверху. Расположение: лаборатория Уотсона, Колумбийский Университет, 501 кабинет, пересечение 115 Уэст Стрит, д.612, Нью-Йорк [64]. |
 | Хранилище памяти NORC, которое расположено за блоком логики и арифметики, а потому вне поля зрения. Емкость памяти – 3600 66-битных слов, в 264 электронно-лучевых трубках. Под каждое слово зарезервировано 16 десятичных разрядов, включая два контрольных бита. Каждая трубка имеет 900 ячеек емкостью 1 бит; четыре комплекта из 66 трубок используются в полной памяти на 3600 слов. Четыре трубки соединены в модульный металлический ящик. Фото и информация из [64]. |
 | Записывающие устройства Лента – Карта и Карта – Лента. У NORC не было собственного считывателя карт или перфоратора; его единственным устройством ввода была лента, а устройствами вывода служили магнитные ленты и принтеры. “Человек не любит читать закодированные невидимые точки, впихнутые по 500 штук на дюйм, на ленте длиной в четверть мили.” Преобразователь (Карта-Лента-Карта) переводит данные с карты на ленту, и наоборот, что позволяет NORC взаимодействовать с основными перфораторами и сортировщиками. Фото и информация взяты из [64]. |
 | Детальный вид блока логики и арифметики, взято по ссылке 2 ниже. |
 | Фото и статьи из газеты «Нью-Йорк Хералд Трибьюн», 1-3 декабря 1954 года |
 | Программа презентации NORC, 2 декабря 1954 года |
 | Кинохроника работы NORC в лаборатории Уотсона. |
 | NORC на испытательном полигоне военно-морских сил США, Далгрен, Вирджиния, около 1957 года, из ссылки 5 ниже. Оператор консоли неизвестен; в центре: Мэри Луиза Макки, справа: Дейв Элиэзер (заместитель начальника филиала, отделение программирования). Г-жа Макки была одним из первых программистов NORC; она вспоминает, когда она написала программу для печати приветствия на русском языке на ЭЛТ, только для того чтобы военный гость из СССР попытался исправить орфографию на трубке с помощью ластика. Нажмите здесь для получения другой версии той же фотографии из брошюры “Карьера в математике”, факультет математики, Университет штата Луизиана |
 | Версия предыдущего фото в более высоком разрешении с подписями расшифровкой. |
 | Мультфильм на День рождения, напечатанный NORC в Далгрене, автор Джек Дарлинг. |
 | Цифровой модуль логики ВМИБ, из коллекции командующего ВМС США Глена Алена Снелда. |
 | Детальное фото трубки цифрового модуля логики. На бирке видно, что NORC был изготовлен для ВМС США по контракту номер 11866, идентификационный номер модуля – 53А. |
 | Другой цифровой модуль NORC, тип 46А, подаренный Эмме Пейн МакКолл в Далгрене в одну из годовщин работы в Центре (её карьера длилась с 1950х до 1970х), представлен ее внуком Герхардом Шёнталем с биографической подписью его матери: «Моя мать, Эмма Пейн МакКолл, пришла на работу в лабораторию ВМС США в начале 1950х. В то время мало кого из женщин брали на не-секретарские должности…» |
Примечания:
1. Первый суперкомпьютер в том смысле, что целью его разработки было превзойти все существующие машины и у него было достаточное количество конкурентов (именно поэтому ENIAC или ASCC не являются суперкомпьютерами); по словам Эккерта, «Стояла задача внедрить в этот «единственный в своём роде» вычислитель все передовые разработки, чтобы этот комплекс мог решать крупномасштабные проблемы. С этой целью были приложены все усилия, чтобы обеспечить невероятно высокое быстродействие, высочайшую степень надежности и в то же время простоту обслуживания». Фон Нейман назвал его «самой совершенной машиной, которую можно было построить при нынешнем уровне развития техники». NORC оставался таковым вплоть до создания Сеймуром Крэем CDC 6600 в 1964 году, который иногда тоже называют «первым суперкомпьютером», хотя на момент его разработки NORC существовал уже 10 лет. С другой стороны, сам термин «суперкомпьютер» появился лишь через несколько лет после постройки NORC, скорее всего для характеристики Ferranti Atlas или CDC 6600. Несмотря на это, некоторые авторы называют первым суперкомпьютером именно NORC (например, [57]). Другой источник ([40]) называет первым суперкомпьютером машину SSEC, которая также была создана в лаборатории Уотсона.
В историческом архиве IBM находим, что «слава NORC буквально достигла галактических масштабов, когда директор обсерватории Цинцинатти астроном Пол Эрге назвал именем компьютера открытый в 1953 году астероид. (Астероид NORC вращается вокруг Солнца с периодом 5,6 лет по орбите, проходящей между Марсом и Юпитером). Под руководством доктора Эрге, а также благодаря спонсорской помощи Департамента исследований ВМС и Национальной фонда науки находившийся на Земле NORC использовали для расчёта орбит небесных тел, в том числе наиболее точную орбиту Земли в период с 1920 по 2000 год. Обсуждая заслуги NORC в мае 1956 года, Эрге отметил: «За 9 часов работы на этой машине мы сделали расчётов больше, чем за всю предыдущую историю астрономии».
Список источников
1. Эккерт, Уоллес и Ребекка Джонс (Фото), «Быстрее, ещё быстрее: Описание гигантского электронного вычислителя и задачи, которые он решает, простыми словами», МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1955. (Фото обложки); 160с., с иллюстрациями. Ребекка (Бекки) Джонс, научный сотрудник по астрономии, была помощницей доктора Эккерта и (помимо других обязанностей) настройщиком калькулятора Фрайдена, поэтому компьютер был фактически в её распоряжении [57].
2. Фон Нейман, Джон, “NORC и проблемы скоростных электронных вычислений”, Анналы IEEE по истории компьютеров, 3 (3) (Июль-сентябрь 1981), сс.274-279.
3. NORC, Компания «Международные Бизнес-машины », 590 Мэдисон-Авеню, Нью-Йорк 22, (1954): Форма 52-64444-0-20-12-54.
5. Книга Гроша [57].
6. Испытательный полигон ВМС США, «Инструкция по программированию NORC» (1955), 58с.
7. Испытательный полигон ВМС США, «Лаборатория вычислений и анализа», Далгрен, Вирджиния, примерно 1957.
8. Цифровой компьютерный бюллетень, Отдел исследований ВМС, Подразделение математических наук, 10 (4), Октябрь 1958 [115].
9. Пояснения к астрономическим эфемеридам и навигационному альманаху, подготовлено отделами подготовки навигационных сборников Великобритании и США: Управление навигационного сборника по распоряжению комиссии лордов Адмиралтейства, Лондон, канцелярия Ее Величества (1961).