هر آنچه باید درباره رایانه آتاناسف-بری (Atanasoff–Berry computer) بدانید

رایانه آتاناسف-بری در اواخر دهه ۱۹۳۰ میلادی طراحی و در اوایل دهه ۱۹۴۰ ساخته شد. بسیاری از پژوهشگران آن را نخستین رایانه دیجیتال الکترونیکی ویژه انجام محاسبات ریاضی می‌دانند. هرچند این رایانه مانند رایانه‌های امروزی قابلیت اجرای برنامه‌های متنوع را نداشت، اما فناوری‌هایی را به کار گرفت که بعدها به پایه و اساس طراحی رایانه‌های دیجیتال تبدیل شدند.

رایانه آتاناسف-بری حاصل همکاری جان وینسنت آتاناسف، استاد فیزیک و ریاضیات، و دانشجوی مستعد او کلیفورد بری بود. هدف اصلی از ساخت این دستگاه، افزایش سرعت حل دستگاه‌های بزرگ معادلات خطی بود؛ مسئله‌ای که در آن زمان با ماشین‌حساب‌های مکانیکی و روش‌های دستی زمان بسیار زیادی نیاز داشت. این رایانه نشان داد که می‌توان از مدارهای الکترونیکی برای انجام محاسبات پیچیده استفاده کرد و وابستگی به قطعات مکانیکی را کاهش داد.

اگرچه پروژه ABC به دلیل آغاز جنگ جهانی دوم متوقف شد و هرگز به تولید انبوه نرسید، اما بسیاری از فناوری‌های استفاده‌شده در آن سال‌ها بعد در رایانه‌های پیشرفته‌تر مورد استفاده قرار گرفتند.

ایده اولیه ساخت رایانه آتاناسف-بری

جان آتاناسف در دانشگاه ایالتی آیووا با حجم زیادی از محاسبات ریاضی سروکار داشت. حل دستگاه‌های بزرگ معادلات خطی با استفاده از ماشین‌حساب‌های مکانیکی موجود بسیار کند بود و احتمال بروز خطا نیز بالا می‌رفت. انجام برخی از این محاسبات حتی چندین روز یا چند هفته زمان نیاز داشت و همین موضوع روند تحقیقات علمی را با مشکل روبه‌رو می‌کرد.

آتاناسف به این نتیجه رسید که محدودیت اصلی ماشین‌های موجود، وابستگی آن‌ها به قطعات مکانیکی است. قطعات مکانیکی سرعت کمی داشتند، استهلاک بالایی ایجاد می‌کردند و امکان توسعه آن‌ها محدود بود. او تصمیم گرفت دستگاهی طراحی کند که تا حد امکان بر پایه مدارهای الکترونیکی کار کند و از سیستم دودویی برای نمایش اعداد استفاده کند.

در سال ۱۹۳۷، پس از ساعت‌ها تفکر درباره راه‌حل این مشکل، آتاناسف اصول اولیه طراحی دستگاه خود را مشخص کرد. او چهار اصل مهم را در نظر گرفت؛ استفاده از سیستم دودویی، انجام محاسبات با مدارهای الکترونیکی، جداسازی حافظه از بخش محاسبات و استفاده از حافظه بازتولیدشونده. این اصول بعدها به مفاهیم اساسی طراحی رایانه‌های دیجیتال تبدیل شدند.

پس از آن، کلیفورد بری به پروژه پیوست و با مهارت بالای خود در طراحی مدارهای الکترونیکی نقش مهمی در ساخت نمونه عملی دستگاه ایفا کرد. همکاری این دو پژوهشگر باعث شد پروژه از مرحله ایده به ساخت نمونه واقعی برسد.

دلیل انتخاب نام Atanasoff-Berry Computer

نام Atanasoff-Berry Computer از نام دو سازنده اصلی این دستگاه گرفته شده است. جان وینسنت آتاناسف ایده‌پرداز اصلی پروژه بود و طراحی نظری، اصول ریاضی و معماری دستگاه را ارائه کرد. کلیفورد بری نیز به‌عنوان دستیار پژوهشی او، مسئولیت بخش بزرگی از طراحی مدارها، ساخت قطعات و مونتاژ دستگاه را بر عهده داشت.

در بسیاری از پروژه‌های علمی بزرگ، نام دستگاه یا اختراع تنها به نام مخترع اصلی شناخته می‌شود، اما در این پروژه سهم کلیفورد بری به اندازه‌ای مهم بود که نام او نیز در عنوان رسمی دستگاه قرار گرفت. به همین دلیل عبارت Atanasoff-Berry Computer یا به اختصار ABC انتخاب شد.

لیست مشخصات کامل رایانه آتاناسف-بری

• سال طراحی: ۱۹۳۷
• سال تکمیل نمونه اصلی: ۱۹۴۲
• محل ساخت: دانشگاه ایالتی آیووا
• سازندگان: جان وینسنت آتاناسف و کلیفورد بری
• نوع رایانه: دیجیتال الکترونیکی ویژه
• سیستم عددی: دودویی
• تعداد لامپ خلأ: حدود ۳۰۰ عدد
• ظرفیت حافظه: حدود ۶۰ عدد ۵۰ بیتی
• کاربرد اصلی: حل دستگاه‌های معادلات خطی
• نوع برنامه‌ریزی: فاقد قابلیت برنامه‌ریزی عمومی
• روش ذخیره داده: خازن و درام چرخان
• سیستم ورودی: کارت‌های پانچ
• سیستم خروجی: چاپ یا پانچ نتایج
• قابلیت انجام عملیات منطقی: محدود
• استفاده از قطعات مکانیکی: بسیار کمتر از ماشین‌های هم‌دوره
• وضعیت فعلی: نمونه اصلی از بین رفته و نمونه بازسازی‌شده در موزه نگهداری می‌شود.

رایانه آتاناسف-بری از نظر ابعاد بسیار بزرگ‌تر از رایانه‌های امروزی بود و چندین کابینت فلزی را اشغال می‌کرد. درون این کابینت‌ها صدها لامپ خلأ، هزاران مقاومت، خازن، سیم و قطعات الکترونیکی قرار داشتند. همچنین بخشی از دستگاه به سیستم حافظه چرخان اختصاص یافته بود که داده‌ها را روی خازن‌ها نگهداری می‌کرد.

به دلیل فناوری محدود آن زمان، امکان کوچک‌سازی قطعات وجود نداشت و هر مدار فضای قابل توجهی اشغال می‌کرد. وزن دستگاه نیز بسیار زیاد بود و جابه‌جایی آن به‌سادگی امکان‌پذیر نبود. طراحی داخلی دستگاه به گونه‌ای انجام شده بود که بخش‌های مختلف مانند واحد محاسبات، حافظه و سیستم کنترل تا حد زیادی از یکدیگر جدا باشند.

معماری سخت‌افزاری رایانه ABC

رایانه آتاناسف-بری (ABC) برخلاف رایانه‌های همه‌منظوره امروزی، یک رایانه با کاربرد اختصاصی بود که تنها برای حل دستگاه‌های معادلات خطی طراحی شده بود. معماری آن بر پایه چهار اصل مهم شکل گرفته بود که بعدها در توسعه رایانه‌های دیجیتال نقش اساسی داشتند.

نخستین ویژگی، استفاده از سیستم دودویی بود. در زمانی که بیشتر ماشین‌های محاسباتی از سیستم ده‌دهی استفاده می‌کردند، آتاناسف تصمیم گرفت تمام داده‌ها را تنها با دو مقدار صفر و یک نمایش دهد. این تصمیم باعث ساده‌تر شدن طراحی مدارهای الکترونیکی و افزایش اطمینان محاسبات شد.

ویژگی دوم، جداسازی بخش حافظه از واحد محاسبات بود. در ماشین‌های مکانیکی قدیمی، حافظه و محاسبه معمولاً به هم وابسته بودند، اما در ABC داده‌ها ابتدا در حافظه ذخیره می‌شدند و سپس برای پردازش به مدارهای محاسباتی منتقل می‌شدند.

ویژگی سوم، استفاده از مدارهای الکترونیکی مبتنی بر لامپ خلأ برای انجام عملیات محاسباتی بود. این کار سرعت انجام عملیات را نسبت به ماشین‌های مکانیکی چندین برابر افزایش داد.

ویژگی چهارم، استفاده از حافظه بازتولیدشونده (Regenerative Memory) بود. بار الکتریکی خازن‌های حافظه به مرور کاهش پیدا می‌کرد و مدارهای دستگاه به صورت خودکار اطلاعات را دوباره بازنویسی می‌کردند تا داده‌ها از بین نروند. همین ایده سال‌ها بعد در حافظه‌های DRAM نیز مورد استفاده قرار گرفت.

پردازنده و واحد محاسباتی

رایانه ABC پردازنده مرکزی (CPU) به معنای امروزی نداشت. در واقع مجموعه‌ای از مدارهای الکترونیکی وظیفه انجام عملیات ریاضی را بر عهده داشتند. این مدارها عمدتاً برای انجام جمع و تفریق دودویی طراحی شده بودند. از آنجا که هدف دستگاه حل دستگاه‌های معادلات خطی بود، نیازی به اجرای دستورهای متنوع یا برنامه‌های مختلف وجود نداشت. عملیات پیچیده‌تر مانند ضرب و تقسیم از طریق ترکیب چندین مرحله جمع و تفریق یا روش‌های عددی انجام می‌شد.

واحد محاسبات می‌توانست هم‌زمان روی دو عدد ۵۰ بیتی عملیات انجام دهد. طراحی مدارها به گونه‌ای بود که انتقال بیت‌ها بین حافظه و بخش محاسبات با حداقل تأخیر انجام شود. برخلاف رایانه‌های امروزی، هیچ واحد کنترل مبتنی بر دستورالعمل، ثبات عمومی یا شمارنده برنامه در این دستگاه وجود نداشت و ترتیب انجام عملیات از قبل توسط ساختار سخت‌افزار مشخص شده بود.

سیستم حافظه در رایانه آتاناسف-بری

حافظه دستگاه از دو درام چرخان تشکیل می‌شد که روی هر کدام مجموعه‌ای از خازن‌ها قرار داشت. هر خازن یک بیت اطلاعات را نگهداری می‌کرد. این خازن‌ها هنگام چرخش درام به طور مداوم توسط مدارهای الکترونیکی خوانده و دوباره شارژ می‌شدند تا اطلاعات از بین نرود. ظرفیت حافظه حدود ۶۰ عدد ۵۰ بیتی بود؛ یعنی دستگاه می‌توانست در هر لحظه تقریباً ۳۰۰۰ بیت اطلاعات را در حافظه فعال نگهداری کند. حافظه برای ذخیره دائمی طراحی نشده بود و فقط داده‌های مورد نیاز در طول انجام محاسبات را نگهداری می‌کرد.

استفاده از لامپ‌های خلأ در این رایانه

لامپ‌های خلأ نقش اصلی را در مدارهای الکترونیکی رایانه آتاناسف-بری ایفا می‌کردند. این قطعات وظیفه تقویت سیگنال‌ها و انجام عملیات منطقی را بر عهده داشتند. در مجموع حدود ۳۰۰ لامپ خلأ در دستگاه استفاده شده بود. این تعداد نسبت به رایانه ENIAC یا حتی یونیواک بسیار کمتر بود، اما برای انجام وظایف اختصاصی ABC کافی محسوب می‌شد. لامپ‌های خلأ گرمای زیادی تولید می‌کردند و مصرف برق بالایی داشتند، اما در مقایسه با قطعات مکانیکی سرعت بسیار بیشتری ارائه می‌دادند و امکان انجام هزاران عملیات را در مدت کوتاه فراهم می‌کردند.

نحوه انجام محاسبات ریاضی

هدف اصلی طراحی رایانه آتاناسف-بری حل دستگاه‌های بزرگ معادلات خطی بود. دستگاه برای این منظور از روش حذف گاوسی استفاده می‌کرد و بخش زیادی از عملیات را به صورت خودکار انجام می‌داد. استفاده از سیستم دودویی موجب شد عملیات ریاضی با مدارهای ساده‌تر انجام شود. دستگاه داده‌ها را مرحله‌به‌مرحله پردازش می‌کرد و نتیجه هر مرحله را در حافظه موقت ذخیره می‌کرد تا در ادامه محاسبات مورد استفاده قرار گیرد. اگرچه این رایانه برای انجام انواع مختلف برنامه‌ها طراحی نشده بود، اما در حوزه تخصصی خود سرعت بسیار بالاتری نسبت به ماشین‌های مکانیکی داشت.

ورود اطلاعات در رایانه آتاناسف-بری از طریق کارت‌های پانچ انجام می‌شد. اپراتور ابتدا داده‌های مورد نیاز را روی کارت‌ها ثبت می‌کرد و سپس دستگاه آن‌ها را می‌خواند. پس از پایان محاسبات، نتایج نیز روی کارت پانچ یا به صورت چاپ‌شده در اختیار کاربر قرار می‌گرفت. این روش در بسیاری از رایانه‌های نسل اول نیز مورد استفاده قرار گرفت. اگرچه سرعت ورود و خروج اطلاعات پایین بود، اما نسبت به روش‌های کاملاً دستی پیشرفت قابل توجهی محسوب می‌شد.

سیستم ذخیره‌سازی داده‌ها

داده‌ها در این رایانه با ترکیبی از فناوری‌های موجود آن زمان ذخیره می‌شدند. مهم‌ترین روش‌های ذخیره‌سازی عبارت بودند از:

• استفاده از خازن برای نگهداری موقت اطلاعات
• استفاده از درام چرخان برای سازمان‌دهی حافظه
• بازسازی دوره‌ای اطلاعات برای جلوگیری از حذف داده‌ها
• ذخیره ورودی‌ها روی کارت پانچ، ثبت خروجی روی کارت پانچ یا چاپ کاغذی

مصرف انرژی و نیازهای الکتریکی

رایانه آتاناسف-بری برای کارکرد صحیح به تجهیزات الکتریکی نسبتاً قدرتمندی نیاز داشت.

از مهم‌ترین ویژگی‌های مصرف انرژی آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استفاده از صدها لامپ خلأ
• تولید گرمای قابل توجه
• نیاز به منبع تغذیه پایدار
• مصرف برق بیشتر از ماشین‌های مکانیکی
• نیاز به نگهداری و بررسی مداوم مدارهای الکترونیکی

مقایسه آتاناسف-بری با ENIAC

هر دو رایانه نقش مهمی در تاریخ رایانش دارند، اما تفاوت‌های اساسی میان آن‌ها وجود دارد. از نظر تاریخی، ABC زودتر از ENIAC ساخته شد و نخستین رایانه‌ای بود که مفاهیمی مانند استفاده از سیستم دودویی، حافظه بازتولیدشونده و مدارهای الکترونیکی را به‌صورت عملی پیاده‌سازی کرد. با این حال، ENIAC به دلیل قابلیت برنامه‌ریزی، کاربرد گسترده‌تر و تکمیل پروژه، تأثیر بیشتری بر صنعت رایانه گذاشت و شهرت جهانی پیدا کرد. بسیاری از مورخان فناوری معتقدند نوآوری‌های ABC زمینه‌ساز بخشی از پیشرفت‌هایی بود که بعدها در ENIAC و رایانه‌های نسل اول دیده شد. مقایسه مهم این دو دستگاه:

• ABC برای حل معادلات خطی ساخته شد، اما انیاک یک رایانه عمومی‌تر بود.
• ABC حدود ۳۰۰ لامپ خلأ داشت، در حالی که ENIAC نزدیک به ۱۸ هزار لامپ خلأ استفاده می‌کرد.
• ABC از سیستم دودویی استفاده می‌کرد، اما ENIAC بر پایه سیستم ده‌دهی ساخته شده بود.
• ENIAC قابلیت انجام طیف گسترده‌تری از محاسبات را داشت.
• ABC زودتر طراحی شد، اما به دلیل جنگ جهانی دوم توسعه آن متوقف شد.
• ENIAC به بهره‌برداری گسترده رسید و شهرت بیشتری پیدا کرد.
• بسیاری از اصول فنی ABC بعدها در طراحی رایانه‌های نسل بعد مورد توجه قرار گرفتند.