Harvard Mark I

Το Harvard Mark I, ή IBM Automatic Sequence Controlled Calculator ( ASCC ), ήταν ένας από τους πρώτους ηλεκτρομηχανικούς υπολογιστές γενικής χρήσης που χρησιμοποιήθηκαν στην πολεμική προσπάθεια κατά το τελευταίο μέρος του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.

Ένα από τα πρώτα προγράμματα που έτρεξαν για το Mark I ξεκίνησε στις 29 Μαρτίου 1944 ^[1] από τον Τζον φον Νόιμαν. Εκείνη την εποχή, ο φον Νόιμαν δούλευε στο Πρόγραμμα Μανχάταν και έπρεπε να καθορίσει εάν η ενδόριξη ήταν μια εφικτή επιλογή για να πυροδοτήσει την ατομική βόμβα που θα χρησιμοποιούταν ένα χρόνο αργότερα. Ο Mark I υπολόγισε και εκτύπωσε επίσης μαθηματικούς πίνακες, που ήταν ο αρχικός στόχος του Βρετανού εφευρέτη Τσαρλς Μπάμπατζ για την «αναλυτική μηχανή» του το 1837.

Το Mark I αποσυναρμολογήθηκε το 1959. Μέρος του δόθηκε στην IBM, μέρος πήγε στο Ίδρυμα Σμιθσόνιαν και ένα μέρος μπήκε στη Συλλογή Ιστορικών Επιστημονικών Οργάνων του Χάρβαρντ . Για δεκαετίες, το κομμάτι του Χάρβαρντ εκτέθηκε στο λόμπι του Εργαστηρίου Υπολογιστών Aiken. Περίπου το 1997, μεταφέρθηκε στο Επιστημονικό Κέντρο του Χάρβαρντ. Το 2021, μεταφέρθηκε ξανά, στο λόμπι του νέου Συγκροτήματος Επιστήμης και Μηχανικής του Χάρβαρντ στο Άλστον της Μασαχουσέτης. ^[2]

Η αρχική ιδέα παρουσιάστηκε στην IBM από τον Χάουαρντ Άικεν τον Νοέμβριο του 1937. ^[3] Μετά από μελέτη σκοπιμότητας από μηχανικούς της IBM, ο πρόεδρος της εταιρείας Τόμας Γουότσον ενέκρινε προσωπικά το έργο και τη χρηματοδότησή του τον Φεβρουάριο του 1939.

Ο Χάουαρντ Άικεν είχε αρχίσει να ψάχνει για μια εταιρεία για να σχεδιάσει και να κατασκευάσει την αριθμομηχανή του στις αρχές του 1937. Μετά από δύο απορρίψεις,^[4] είδε ένα σετ επίδειξης που είχε δώσει ο γιος του Τσαρλς Μπάμπατζ στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ 70 χρόνια νωρίτερα. Αυτό τον οδήγησε να μελετήσει τον Μπάμπατζ και να προσθέσει αναφορές στην Αναλυτική μηχανή στην πρότασή του. Το μηχάνημα που προέκυψε «έφερε τις αρχές του Μπάμπατζ για την αναλυτική μηχανή σχεδόν σε πλήρη υλοποίηση, προσθέτοντας παράλληλα σημαντικά νέα χαρακτηριστικά».^[5]

Το ASCC αναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε από την IBM στο εργοστάσιό της στο Έντικοτ και απεστάλη στο Χάρβαρντ τον Φεβρουάριο του 1944. Ξεκίνησε τους υπολογισμούς για το Γραφείο Πλοίων του Ναυτικού των ΗΠΑ τον Μάιο και παρουσιάστηκε επίσημα στο πανεπιστήμιο στις 7 Αυγούστου 1944. ^[6]

Αν και δεν ήταν ο πρώτος υπολογιστής, η μηχανή ήταν η πρώτη που αυτοματοποίησε την εκτέλεση πολύπλοκων υπολογισμών, καθιστώντας την ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός για τους υπολογιστές.^[7]

Το ASCC κατασκευάστηκε από διακόπτες, ρελέ, περιστρεφόμενους αριθμητές και συμπλέκτες . Χρησιμοποίησε 765.000 ηλεκτρομηχανικά εξαρτήματα και εκατοντάδες μίλια σύρματος, που αποτελούνταν από όγκο 816 cubic feet (23 m³) – 51 feet (16 m) σε μήκος, 8 feet (2,4 m) σε ύψος και 2 feet (0,61 m) βαθύ. Ζύγιζε περίπου 9,445 pounds (4,7 short tons; 4,3 t). ^[8] Οι βασικές μονάδες υπολογισμού έπρεπε να συγχρονιστούν και να τροφοδοτηθούν μηχανικά, έτσι ώστε να λειτουργούνται από ένα 50 feet (15 m) άξονα μετάδοσης συνδεδεμένο με 5 horsepower (3,7 kW) ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος χρησίμευε ως κύρια πηγή ενέργειας και ρολόι συστήματος.

Από τα αρχεία της IBM:

Η αυτόματη αριθμομηχανή ελεγχόμενης ακολουθίας (Harvard Mark I) ήταν η πρώτη μηχανή λειτουργίας που μπορούσε να εκτελεί αυτόματα μεγάλους υπολογισμούς. Ένα έργο που σχεδιάστηκε από τον Δρ. Χάουαρντ Άικεν του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, το Mark I κατασκευάστηκε από μηχανικούς της IBM στο Έντικοτ της Νέας Υόρκης. Ένα ατσάλινο πλαίσιο μήκους 51 ποδιών και ύψους 8 ποδιών συγκρατούσε την αριθμομηχανή, η οποία αποτελούνταν από ένα συμπλεγμένο πάνελ μικρών γραναζιών, μετρητών, διακοπτών και κυκλωμάτων ελέγχου, όλα σε βάθος μόνο μερικές ίντσες. Το ASCC χρησιμοποίησε 500 miles (800 km) σύρματος με τρία εκατομμύρια συνδέσεις, 3.500 πολυπολικά ρελέ με 35.000 επαφές, 2.225 μετρητές, 1.464 δεκαπολικούς διακόπτες και βαθμίδες 72 μηχανών πρόσθεσης, το καθένα με 23 σημαντικούς αριθμούς. Ήταν η μεγαλύτερη ηλεκτρομηχανική αριθμομηχανή της βιομηχανίας.^[9]

Το περίβλημα για το Mark I σχεδιάστηκε από τον φουτουριστή Αμερικανό βιομηχανικό σχεδιαστή Νόρμαν Μπελ Γκίντες με έξοδα της IBM. Ο Άικεν ενοχλήθηκε που το κόστος (50.000 $ ή περισσότερο σύμφωνα με την Γκρέις Χόπερ) δεν χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή πρόσθετου εξοπλισμού υπολογιστών. ^[10]

Το Mark I είχε 60 σύνολα από 24 διακόπτες για χειροκίνητη εισαγωγή δεδομένων και μπορούσε να αποθηκεύσει 72 αριθμούς, καθένα ένας από τους οποίους είχε μήκος 23 δεκαδικά ψηφία.^[11] Μπορεί να κάνει 3 προσθέσεις ή αφαιρέσεις σε ένα δευτερόλεπτο. Ένας πολλαπλασιασμός έπερνε 6 δευτερόλεπτα, μια διαίρεση15,3 δευτερόλεπτα και ένας λογάριθμος ή μια τριγωνομετρική λειτουργία πήρε πάνω από ένα λεπτό.^[12]

Το Mark I διάβαζε τις οδηγίες του από μια διάτρητη χαρτοταινία 24 καναλιών. Εκτελούσε την τρέχουσα εντολή και μετά διάβαζε την επόμενη. Μια ξεχωριστή ταινία θα μπορούσε να περιέχει αριθμούς για εισαγωγή, αλλά οι μορφές της ταινίας δεν ήταν εναλλάξιμες. Δεν ήταν δυνατή η εκτέλεση εντολών από τους καταχωρητές αποθήκευσης. Επειδή οι οδηγίες δεν ήταν αποθηκευμένες στη μνήμη εργασίας, υποστηρίζεται ευρέως ότι το Harvard Mark I ήταν η προέλευση της αρχιτεκτονικής του Χάρβαρντ. Ωστόσο, αυτό αμφισβητείται στο The Myth of the Harvard Architecture που δημοσιεύτηκε στο IEEE Annals of History of Computing,^[13] που δείχνει ότι ο όρος «αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ» χρησιμοποιήθηκε μόλις τη δεκαετία του 1970 (στο πλαίσιο των μικροελεγκτών) και χρησιμοποιούνταν αναδρομικά μόνο στις μηχανές του Χάρβαρντ και ότι ο όρος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μόνο για τα Mark III και IV, όχι στα Mark I ή II .

Ο μηχανισμός της κύριας ακολουθίας ήταν μονής κατεύθυνσης. Αυτό σήμαινε ότι τα πολύπλοκα προγράμματα έπρεπε να είναι μακρά στις φυσικές διαστάσεις. Ένας βρόχος προγράμματος εφαρμοζόταν με το ξετύλιγμα βρόχου ή με την ένωση του άκρου της χαρτοταινίας που περιείχε το πρόγραμμα πίσω στην αρχή της ταινίας (κυριολεκτικά δημιουργώντας έναν βρόχο ). Αρχικά, η υπό όρους διακλάδωση στο Mark I πραγματοποιούνταν χειροκίνητα. Μεταγενέστερες τροποποιήσεις το 1946 εισήγαγαν την αυτόματη διακλάδωση προγραμμάτων (με κλήση υπορουτίνας ).^[14][15] Οι πρώτοι προγραμματιστές του Mark I ήταν οι πρωτοπόροι της πληροφορικής Richard Milton Bloch, Robert Campbell και Grace Hopper.^[16] Υπήρχε επίσης μια μικρή τεχνική ομάδα της οποίας η αποστολή ήταν να χειριστεί πραγματικά το μηχάνημα. Μερικοί ήταν υπάλληλοι της IBM προτού τους ζητηθεί να ενταχθούν στο Ναυτικό για να εργαστούν στο μηχάνημα.^[17] Αυτή η τεχνική ομάδα δεν ενημερώθηκε για τον γενικό σκοπό της εργασίας της όσο ήταν στο Χάρβαρντ.

• 
  Διάτρητη ταινία που χρησιμοποιείται για την προετοιμασία προγραμμάτων
• 
  Ταινία προγράμματος με ορατές τροποποιήσεις κώδικα
• 
  Περιστροφικοί διακόπτες που χρησιμοποιούνται για την εισαγωγή σταθερών δεδομένων προγράμματος
• 
  Ενδείξεις ακολουθίας και διακόπτες
• 
  Πίσω όψη του τμήματος υπολογισμών

Τα 24 κανάλια της ταινίας εισόδου χωριζόταν σε τρία πεδία των οκτώ καναλιών. Σε κάθε θέση αποθήκευσης, σε κάθε σύνολο διακοπτών και στους καταχωρητές που σχετίζονταν με τις μονάδες εισόδου, εξόδου και αριθμητικής εκχωρούνταν ένας μοναδικός αναγνωριστικός αριθμός ευρετηρίου. Αυτοί οι αριθμοί αναπαραστάθηκαν δυαδικά στην ταινία ελέγχου. Το πρώτο πεδίο ήταν ο δυαδικός δείκτης του αποτελέσματος της πράξης, το δεύτερο ήταν το δεδομένο πηγής για τη λειτουργία και το τρίτο πεδίο ήταν ένας κωδικός για τη λειτουργία που έπρεπε να εκτελεστεί. ^[18]

Το 1928 ο Λέσλι Κόμρι ήταν ο πρώτος που έστρεψε τον «εξοπλισμό διάτρητης κάρτας [της IBM] σε επιστημονική χρήση: υπολογισμός αστρονομικών πινάκων με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών, όπως είχε οραματιστεί ο Μπάμπατζ 100 χρόνια νωρίτερα για την Αναλυτική Μηχανή του».^[19] Πολύ σύντομα μετά, η IBM άρχισε να τροποποιεί τους στηλοθέτες της για να διευκολύνει αυτό το είδος υπολογισμού. Ένας από αυτούς τους στηλοθέτες, που κατασκευάστηκε το 1931, ήταν το The Columbia Difference Tabulator. ^[20]

Ο Τζον φον Νόιμαν είχε μια ομάδα στο Λος Άλαμος που χρησιμοποιούσε «τροποποιημένες μηχανές διάτρητων καρτών της IBM» ^[21] για να προσδιορίσει τα αποτελέσματα της ενδόρηξης. Τον Μάρτιο του 1944, πρότεινε να αντιμετωπίσει ορισμένα προβλήματα σχετικά με την ενδόρηξη στο Mark I, και το 1944 έφτασε με δύο μαθηματικούς για να γράψει ένα πρόγραμμα προσομοίωσης για να μελετήσει την έκρηξη της πρώτης ατομικής βόμβας.^[22]

Η ομάδα του Λος Άλαμος ολοκλήρωσε το έργο του σε πολύ μικρότερο χρόνο από την ομάδα του Κέμπριτζ. Ωστόσο, η λειτουργία του μηχανήματος με διάτρητη κάρτα υπολόγιζε τιμές με έξι δεκαδικά ψηφία, ενώ το Mark I υπολόγιζε τιμές με δεκαοκτώ δεκαδικά ψηφία . Επιπλέον, ο Mark I ενσωμάτωσε τη μερική διαφορική εξίσωση σε πολύ μικρότερο μέγεθος διαστήματος [ή μικρότερο πλέγμα] και έτσι... πέτυχε πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια . ^[23]

«Ο φον Νόιμαν εντάχθηκε στο Πρόγραμμα Μανχάταν το 1943, δουλεύοντας πάνω στον τεράστιο αριθμό υπολογισμών που απαιτούνται για την κατασκευή της ατομικής βόμβας. Έδειξε ότι το σχέδιο έκρηξης, το οποίο αργότερα θα χρησιμοποιούνταν στις βόμβες Trinity και Fat Man, ήταν πιθανότατα ταχύτερο και πιο αποτελεσματικό παρά το σχέδιο του όπλου».^[24]

Ο Άικεν δημοσίευσε ένα δελτίο τύπου ανακοινώνοντας το Mark I αναφέρετας τον εαυτό του ως μοναδικός «εφευρέτη». Ο Τζέιμς Μπράις ήταν το μόνο άτομο της IBM που αναφερόταν, παρόλο που αρκετοί μηχανικοί της IBM, συμπεριλαμβανομένων των Κλερ Λέικ και Φρανκ Χάμιλτον, είχαν βοηθήσει στην κατασκευή διαφόρων στοιχείων. Ο πρόεδρος της IBM Τόμας Γουότσον, εξοργίστηκε και παρευρέθηκε απρόθυμα στην τελετή αφιερώματος στις 7 Αυγούστου 1944. ^{[25] [26]} Ο Άικεν, με τη σειρά του, αποφάσισε να κατασκευάσει περαιτέρω μηχανές χωρίς τη βοήθεια της IBM και το ASCC έγινε γενικά γνωστό ως «Harvard Mark I». Η IBM συνέχισε να κατασκευάζει τον Ηλεκτρονικό Υπολογιστή Επιλεκτικής Ακολουθίας (SSEC) για να δοκιμάσει τη νέα τεχνολογία και να παρέχει περισσότερη δημοσιότητα στις προσπάθειες της εταιρείας.^[25]

Το Mark I ακολουθήθηκε από το Harvard Mark II (1947 ή 1948), το Mark III/ADEC (Σεπτέμβριος 1949) και το Harvard Mark IV (1952) - όλα έργα του Άικεν. Το Mark II ήταν μια βελτίωση σε σχέση με το Mark I, αν και βασιζόταν ακόμα σε ηλεκτρομηχανικούς ηλεκτρονόμους. Το Mark III χρησιμοποιούσε κυρίως ηλεκτρονικά εξαρτήματα - σωλήνες κενού και κρυσταλλικές διόδους - αλλά περιλάμβανε επίσης μηχανικά εξαρτήματα: περιστρεφόμενα μαγνητικά τύμπανα για αποθήκευση, συν ρελέ για τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ των τυμπάνων. Το Mark IV ήταν εξ ολοκλήρου ηλεκτρονικό, αντικαθιστώντας τα υπόλοιπα μηχανικά εξαρτήματα με μνήμη μαγνητικού πυρήνα. Τα Mark II και Mark III παραδόθηκαν στη βάση του Ναυτικού των ΗΠΑ στο Dahlgren της Βιρτζίνια. Το Mark IV κατασκευάστηκε για την Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ, αλλά παρέμεινε στο Χάρβαρντ.

Το Mark I αποσυναρμολογήθηκε το 1959 και τμήματα του εκτέθηκαν στο Κέντρο Επιστημών, ως μέρος της Συλλογής Ιστορικών Επιστημονικών Οργάνων του Χάρβαρντ . Μεταφέρθηκε στο νέο Συγκρότημα Επιστήμης και Μηχανικής στο Άλστον τον Ιούλιο του 2021.^[27] Άλλα τμήματα του αρχικού μηχανήματος είχαν μεταφερθεί πολύ νωρίτερα στην IBM και στο Ίδρυμα Smithsonian . ^[28]

• Cruz, Frank da (Αυγούστου 2004). «The IBM Automatic Sequence Controlled Calculator». Columbia University Computing History. Ανακτήθηκε στις 23 Απριλίου 2011. 
• Oral history interview with Robert Hawkins at Charles Babbage Institute, University of Minnesota, Minneapolis. Hawkins discusses the Harvard-IBM Mark I project that he worked on at Harvard University as a technician as well as Howard Aiken’s leadership of the project.
• Oral history interview with Richard M. Bloch at Charles Babbage Institute, University of Minnesota, Minneapolis. Bloch describes his work at the Harvard Computation Laboratory for Howard Aiken on the Mark I.
• Oral history interview with Robert V. D. Campbell at Charles Babbage Institute, University of Minnesota, Minneapolis. Campbell discusses the contributions of Harvard and IBM to the Mark I project.
• IBM Archive: IBM ASCC Reference Room
• [1], book excerpt web page, with illustrations, by Herb Grosch, from Grosch, Herbert R.J. (1991). Computer: Bit Slices From a Life. Third Millennium Books. ISBN 0-88733-085-1. Computer: Bit Slices From a Life. Third Millennium Books. ISBN 0-88733-085-1. (Third edition online in 2003)
• [2] Popular Science, October 1944, Page 86.
• ASCC operational manual (PDF)
• Photo with parts of the machine identified: «IBM ASCC-Mark I computer framed photograph | Objects | The Collection of Historical Scientific Instruments». waywiser.rc.fas.harvard.edu (στα Αγγλικά). waywiser.rc.fas.harvard.edu.