128 байт на электронно-лучевой трубке: история Manchester Baby, первого компьютера с хранимой программой

Разгар июня 1948 года, Манчестерский университет. Фредди Уильямс и Том Килберн в очередной раз проверяют собранную из радиоламп, проводов и металлических стоек машину, создававшуюся прежде всего для испытания новой памяти. Килберн вводит в нее короткую программу из 17 инструкций, предназначенную для поиска наибольшего делителя числа 2¹⁸. После запуска устройство почти час выполняет вычисления и выдает правильный ответ. Результат выглядел скромно, но именно этот эксперимент впервые продемонстрировал работоспособность компьютера с хранимой в памяти программой.

Аппарат официально назывался манчестерской малой экспериментальной машиной, хотя в историю вошел под неофициальным именем Manchester Baby.

Рождение универсальной архитектуры

До появления «Малыша» вычислительные машины, включая знаменитый ENIAC, оставались скорее гигантскими программируемыми калькуляторами. Для решения новой задачи инженерам приходилось перекоммутировать кабели, менять положения переключателей и фактически заново собирать логику вычислений.

Manchester Baby стал первой работоспособной машиной, в которой программа и данные находились в общей памяти. Такой принцип позднее закрепился под названием архитектуры фон Неймана. Компьютер мог выполнять циклы, условные переходы и даже изменять содержимое памяти в процессе работы. Для смены задачи было достаточно записать новую программу. Сегодня подобный подход кажется само собой разумеющимся, но именно он превратил компьютер из специализированного вычислителя в универсальное устройство.

Память из электронно-лучевой трубки

Самой сложной частью проекта оказалась оперативная память. Использовавшиеся в те годы ртутные линии задержки были медленными и не слишком удобными для экспериментов. Уильямс и Килберн предложили необычное решение, приспособив для хранения данных электронно-лучевые трубки, применявшиеся в радарах.

Работа трубки Уильямса — Килберна основывалась на вторичной электронной эмиссии. Электронный луч создавал на экране небольшие участки с измененным электрическим зарядом, причем логические ноль и единица различались формой участка на экране — он мог быть точкой или тире. Заряд постепенно исчезал, поэтому содержимое памяти приходилось постоянно регенерировать, периодически обновляя записанные данные.

Считывание происходило с помощью металлической пластины, установленной перед экраном. Изменения заряда вызывали слабые электрические импульсы, которые усиливались и использовались схемами компьютера.

Память «Малыша» состояла из одной трубки и вмещала 32 слова по 32 бита — всего 1024 бита, или 128 байт. Процессор работал с тактовой частотой около 100 кГц, а выполнение одной инструкции занимало примерно 1,2 миллисекунды. Машина содержала около 550 радиоламп и потребляла примерно 3,5 кВт электроэнергии.

По современным меркам характеристики выглядят почти игрушечными, но в 1948 году даже возможность хранить программу в памяти представляла куда больший интерес, чем скорость вычислений.

От лабораторного стенда к серийному компьютеру

Изначально Manchester Baby создавался как экспериментальная установка для проверки работоспособности новой памяти. Однако успешный запуск показал, что идея имеет большое будущее. Уже в течение следующего года в Манчестере начали работу над более совершенным Manchester Mark 1. Новая машина получила увеличенный объем памяти и магнитный барабан для хранения данных.

В 1951 году компания Ferranti выпустила Ferranti Mark 1 — первый в мире коммерческий компьютер серийного производства. Его архитектура напрямую выросла из решений, впервые проверенных на экспериментальном «Малыше».

Сам оригинальный Manchester Baby не сохранился. В период стремительного развития вычислительной техники старые установки обычно разбирали, а их компоненты использовали в новых проектах.

Воссоздание копии Manchester Baby

К пятидесятилетию исторического запуска группа энтузиастов под руководством Криса Бертона воссоздала точную копию машины. Пришлось приложить немалые усилия чтоб разыскать оригинальные радиолампы, документацию и электронно-лучевые трубки, соответствующие образцам конца 1940-х годов.

Сегодня действующая реплика находится в Музее науки и промышленности в Манчестере. Она регулярно выполняет ту же программу, которую Том Килберн написал летом 1948 года. Всего 17 инструкций и почти час ожидания результата. По современным меркам — сущий курьез. Но именно с таких экспериментов начался путь, который привел к появлению персональных компьютеров, смартфонов и огромных дата-центров, без которых уже трудно представить повседневную жизнь.