Tuesday, February 23, 2010

Proč vznikly elektronické počítače?

Válka

Není to až tak dávno, kdy vznikly první počítače. Každého kdo při hodinách dějepisu dával trochu pozor ví, že by to mohlo být v období světových válek. V tomto časovém úseku přišlo na svět plno různých vynálezů a hlavně ty, které mohli alespoň částečně zvrátit průběh války. U prvních počítačů to není zas až tak pravdivé, protože válka některým vysloveně škodila. Vezmeme to, ale popořadě.


Píše se rok 1926 a polské tajné služby zaregistrovaly změnu šifry německého námořnictva. Toto vyvolalo spekulace o tom, že Němci mohli začít používat nějaký mechanický šifrovací stroj. Domněnka se potvrdila o dva roky později, kdy polským celníkům přišla zásilka omylem doručena do Varšavy. Záhadný balíček byl otevřen a v něm šifrovací stroj (jednalo se o Enigmu). Balík byl vrácen zpět Němcům s omluvou. O několik týdnů později polské tajné služby získali jeden z komerčních šifrovacích strojů Enigma pro vlastní výzkum. V říjnu roku 1932 se nadějný matematik Rejewski (bývalí účetní) stal zaměstnancem tajných služeb. Byl, přiděl k šifrovacímu oddělení a měl za úkol prolamovat německé kódy. Na „zaučení“ dostal nejtěžší možný úkol: prolomit kód Enigmy. Šlo o dřevěnou bedýnku, která ukrývala primitivní elektromechanický jednoúčelový počítač (klávesnice, zásuvka, šifrovací rotory a „displej“). Klíčem k proniknutí do šifry bylo komplikované zadrátování, které bylo skryto uvnitř Enigmy.

Enigma

Takhle díky chybě německých tajných služeb měl Rejewsky k dispozici šifrovací stroj a manuál s popisem jak zašifrovat jednoduchou zprávu. Bohužel i přesto to byl nesnadný úkol. Postupně narazily i standardy a metody používané v kryptografii (statistika a lingvistika). Šifru nakonec prolomil spolu s dvěma kolegy během pěti týdnů pomocí experimentálního Rejewského přístupu. To byl, ale jen začátek. Němci totiž začali každý den měnit šifrovací klíč. Ten musel být nejdříve odhalen, aby se mohlo začít s prolamováním šifry. To zapříčinilo vznik Bomby (Bomba kryptologiczna). Jedná se o elektromechanický jednoúčelový dešifrovací počítač. Šlo o propojení šesti kopií Enigmy za jediným účelem: odhalit aktuální šifrovací klíč. Poté Bomba dokázala odhalit šifrovací klíč do dvou hodin od jeho zveřejnění. V roce 1938 Němci šifru zkomplikovali a to mělo za následek potřebu co nejvýkonnějšího výpočetního centra. Dešifrovací stroj musel být také univerzální, aby si mohl poradit s měnícími se výpočetními algoritmy.


V1 – Z4

Tady se objevuje výjimka Konrád Zuse, který v roce 1938 sestavil stroj V1 (nemá nic společného s V1 nebo V2 ranou balistickou raketou vytvořenou Němci za II.WW) a nebyl válečného charakteru. Počítač obsahoval pár technologických novinek: binární logiku (ano x ne), přelomová výpočetní jednotka pracující s plovoucí řadovou čárkou, plně adresovatelnou paměť, binární i decimální vstupy i výstupy (princip děrné pásky) a poslední vrchol jeho stroje programovatelná řídící jednotka.


Celý stroj fungoval čistě mechanicky – elektřinu stroj používal pouze k „taktování procesoru“ (pracoval na frekvenci 1 Hz). V1 a ani pozdější V2, která obsahovala pouze pár vylepšení, se nedožili konce války.

Zuse společně s V1

Zuse se zapsal do historie svým třetím vynálezem. V3 přidal předchozím dvěma modelům spolehlivost, díky 2 300 vysloužilých elektromechanických relátcích. Celková struktura stroje skoro odpovídala von Neumannovu schématu (von Neumannovo schéma přišlo na svět o 5 let později) jednalo se o řídící jednotku, paměť, procesor s dvěma registry, vstup a výstup. Počítač byl znovu zničen při bombardování Berlína.


Čtvrtý a poslední exemplář přežil jen díky záměně, před kterou jsem Vás varoval o pár odstavců výše, s balistickou raketou V4. Byl vyvíjen od roku 1942 za účelem sériové komerční produkce. Zuse, aby mohl na něm v klidu pracovat, uprchl na venkov, kde využil dezorientované armády a vydával V4 za součást projektu k raketě. Počítač V4 se nikdy nepodařilo dostat do funkční podoby ještě dlouho po konci války. Všechny své počítače Zuse přejmenoval na Z1 – Z4, aby už nebyli více spojovány s raketami.


Colossus

Dalším dešifrovacím počítačem byl Colossus. Navržen a sestrojen matematikem Maxe Newman a inženýrem Tommy Flowers. Colossus byl první programovatelný, elektronický a binární počítač. Doba dešifrování se zkrátila z několika týdnů na pár hodin.

Colossus

USA

První americký počítač Atanasoff-Berry Computer byl sestrojen roku 1941 a neměl nic společného s armádou. Vznikl na státní univerzitě v Iowě. Tento první čistě elektronický počítač bohužel nedokázal nic jiného než jen počítat lineární rovnice. Druhý projekt, počítač Harvard Mark I, vyvinutý v dílnách IBM, pouhý měsíc po Colossu. Jednalo se o univerzální, elektromechanický, digitální počítač (používal desítkovou soustavu).


Desítkovou soustavu používal i další počítač zvaný ENIAC. Měl sloužit k výpočtům dělostřeleckých tabulek, ale nestihl válku (byl předveden únoru roku 1946). Velikostně to byl opravdoví kolos, zabíral 2,6 x 0,9 x 26 metrů a vážil 27 tun. Obsahoval 17 468 elektronek, 7 200 diod, 1 500 relé, 70 000 rezistorů a 10 000 kondenzátorů.


ENIAC

Von Neumannova architektura

Margittai Neumman János Lajos byl maďarský matematik vystupující ve Spojených státech pod pseudonymem John von Neumann. Roku 1945 na své přednášce představil návrh architektury moderního počítače. Modulární koncepce počítala se společnou pamětí pro program i data. Nejedná se o jedinou architekturu z té doby, například počítač Harvard Mark I používá harvardskou architekturu. Architekturu von Neumanna používá v trochu pozměněné podobě většina dnešních počítačů.

John von Neumann

von Neumannova architektura

No comments:

Post a Comment