«Первый набросок»: программа переезжает в память

Сто одна страница, разосланная в июне

Летом 1945 года в Мурской школе электротехники Пенсильванского университета достраивали ЭНИАК — машину на восемнадцати тысячах ламп, считавшую баллистические таблицы. Достраивали и уже знали её главный порок: чтобы перевести ЭНИАК на новую задачу, надо было переставить провода в коммутационных панелях и выставить сотни переключателей. Это занимало дни. Считала машина в тысячи раз быстрее человека — а переналадка съедала выигрыш.

Группа, строившая ЭНИАК (Джон Преспер Эккерт, Джон Мокли, Герман Голдстайн), обсуждала преемницу — EDVAC. С осени 1944-го к обсуждениям присоединился Джон фон Нейман, приезжавший то из Принстона, то из Лос-Аламоса.

Весной 1945-го фон Нейман записал то, к чему пришли. Голдстайн размножил рукопись на ротаторе и 30 июня разослал две дюжины экземпляров.

«First Draft of a Report on the EDVAC» — «Первый набросок отчёта об EDVAC». Сто одна машинописная страница.

Отчёт был не дописан в буквальном смысле: в тексте остались пустые места под ссылки, библиографии нет вовсе, слово Draft стоит прямо в заглавии. На титуле стояло одно имя.

Этот черновик задал устройство почти всех вычислительных машин, построенных с тех пор.

Что в нём написано

Первое, что бросается в глаза, — в отчёте почти нет электроники. Фон Нейман описывает не лампы, а органы: части, каждая из которых делает одно дело. Язык он берёт из работы Мак-Каллока и Питтса о нервных сетях (1943) и говорит об элементах, которые срабатывают или не срабатывают. Нарочно так: чтобы конструкция не зависела от того, на чём её собирают — на лампах, на реле или на чём-то ещё не изобретённом.

Органов пять: память, арифметическое устройство, устройство управления, ввод и вывод.

Но главное не в списке органов. Главное — в одной фразе, из которой следует всё остальное:

Команды и числа лежат в одной и той же памяти и записаны одинаково.

Почему это переворот

До этого программа была не текстом, а состоянием железа. У Бэббиджа она приходила на отдельных перфокартах, у ЭНИАКа задавалась проводами и переключателями, у релейных машин — бумажной лентой, которая протягивалась мимо считывателя и ничего о себе не помнила. Программа жила отдельно от чисел и была устроена иначе, чем они.

Как только команда — такое же число в такой же ячейке, машина получает право обращаться с программой как с данными. Из этого немедленно выходит всё, чем компьютер отличается от арифмометра:

• цикл: команда правит собственный адрес, и один и тот же кусок программы обходит сколько угодно ячеек;
• подпрограмма: адрес возврата вычисляется и кладётся в память;
• транслятор: программа, которая читает текст и пишет другую программу;
• операционная система: программа, которая запускает программы.

Всё это — следствия одного решения, принятого в 1945 году, и ни одно из них в отчёте не названо.

Где это уже было — у Тьюринга

Ровно та же мысль лежит в основе универсальной машины Тьюринга 1936 года: описание машины пишется на ту же ленту, где лежат данные, и потому одна машина может изображать любую другую. Разница в жанре. У ТьюрингаАлан Тьюринганглийский математик и криптоаналитик · 1912–1954Определил, что значит «вычислить», за десять лет до появления компьютеров, взломал «Энигму» и был осуждён за то, кем он был. это теорема — доказательство, что универсальная машина существует. В «Первом наброске» это чертёж: сколько органов, что между ними ходит, в каком виде хранится. Фон Нейман работу Тьюринга знал хорошо — они пересекались в Принстоне, и фон Нейман звал его к себе ассистентом.

Обратный ход тоже случился: прочитав «Первый набросок», Тьюринг осенью 1945-го пишет для Национальной физической лаборатории собственный проект машины — ACE, устроенный иначе и во многом смелее.

Одно имя на титуле

Дальше начинается то, что на этой карте встречается регулярно, — спор о первенстве.

Отчёт был внутренним черновиком, но Голдстайн разослал его за пределы проекта. По американскому патентному праву это считалось публикацией. Из-за неё Эккерт и Мокли, у которых конструкция EDVAC отчасти и была взята, не смогли запатентовать ни хранимую программу, ни ртутные линии задержки: их собственная идея за год до подачи заявки стала общественным достоянием.

Весной 1946 года оба ушли из университета и основали свою фирму; их машина UNIVAC (1951) станет первой серийной в США. А в 1973 году суд по делу Honeywell против Sperry Rand признал патент на ЭНИАК недействительным, и одним из оснований был как раз «Первый набросок»: опубликовано слишком рано.

Отсюда и несправедливость имени. «Архитектура фон Неймана» — конструкция коллективная, и авторы этого названия сами всю жизнь возражали против него. Тут стоит вспомнить Листинга, у которого первенство отняли дважды: имя пристаёт не к тому, кто придумал, а к тому, кто написал текст, который прочли.

Справедливости ради: собственную часть работы фон Нейман сделал, и немаленькую. Он единственный видел задачу целиком — от нервных сетей и логики до баллистики, метеорологии и ошибок округления, — и умел изложить конструкцию так, чтобы её понял человек, не строивший ЭНИАК.

Что было дальше

Летом 1946-го в той же Мурской школе прочли восьминедельный курс лекций для двадцати восьми приезжих инженеров — так конструкция разошлась по миру. Дальше события идут быстро:

Манчестер, «Baby»	21 июня 1948	первая машина, выполнившая программу из памяти
Кембридж, EDSAC	6 мая 1949	первая рабочая машина для регулярных расчётов
Феофания под Киевом, МЭСМ	1950–1951	первая на континенте
Принстон, машина Института перспективных исследований	1951	проект опубликован открыто и скопирован по всему свету
Сам EDVAC	1951	опоздал на шесть лет к собственному отчёту

Принстонскую машину фон Нейман нарочно не патентовал и рассылал её чертежи всем желающим. С неё скопированы MANIAC в Лос-Аламосе, ILLIAC в Иллинойсе, WEIZAC в Реховоте, SILLIAC в Сиднее — десяток «родственников» с созвучными именами.

А в 1977 году Джон Бэкус, автор фортрана, в лекции по случаю премии Тьюринга назвал единственный канал между памятью и арифметикой «узким местом фон Неймана»: процессор ждёт память, и чем быстрее он становится, тем дольше ждёт. Претензия, высказанная почти полвека назад, за это время только выросла — но перестроить конструкцию так никто и не сумел.

Следующая точка: Лос-Аламос — где на новой машине первым делом начнут считать то, для чего формулы нет вовсе.