Инноваторы. Как несколько гениев, хакеров и гиков совершили цифровую революцию

Дж. Преспер Эккерт

Джон Адам Преспер Эккерт-младший, который в формальной обстановке назывался Дж. Преспером Эккертом, а в неформальной – Пресом, был единственным ребенком в семье миллионера, занимавшегося недвижимостью в Филадельфии⁶⁰. Один из его прапрадедов Томас Миллс изобрел машину, которая изготавливала знаменитые ириски salt water taffy в Атлантик-Сити, и, что важно, создал фирму, которая производила и продавала их. Эккерт ходил в частную школу имени Уильяма Пенна, основанную в 1689 году. Его школьные успехи объяснялись не положением его семьи, а его собственными талантами. В двенадцать лет он стал победителем общегородской научной выставки-ярмарки, собрав систему наведения для моделей лодок, состоящую из магнитов и реостатов, а в четырнадцать лет разработал оригинальный способ замены капризных аккумуляторов, которые применялись в системе внутренней телефонной связи в одном из зданий отца, на устройства, работающие от обычной электрической сети⁶¹.

В старших классах школы Эккерт поражал одноклассников своими изобретениями и даже зарабатывал, собирая радиоприемники, усилители и аудиосистемы. Филадельфия, город Бенджамина Франклина, была тогда крупным центром электроники, и Эккерт проводил время в исследовательской лаборатории Фило Фарнсуорта – одного из изобретателей телевидения. Хотя он был принят в Массачусетский технологический институт и собирался там учиться, родители не захотели его отпустить. Они сделали вид, что понесли финансовые убытки из-за депрессии, надавили на него и уговорили учиться в Пенсильвании и жить дома. Они хотели, чтобы он изучал бизнес, однако он взбунтовался и поступил в университетскую электротехническую школу Мура, поскольку электротехника его интересовала больше.

Публичный триумф Эккерта в Пенсильвании состоялся, когда он сделал устройство, названное им Osculometer – измеритель страстности поцелуя (от латинского слова osculum – поцелуй), который должен был показывать уровень страсти и романтичной заряженности поцелуя. Пара бралась за ручки устройства и начинала целоваться, их губы входили в контакт и замыкали электрическую цепь, в результате чего зажигалось несколько ламп. Нужно было поцеловаться достаточно страстно, чтобы засветились все десять ламп, и тогда начинала выть сирена. Смышленые участники догадались, что влажные губы и потные ладони уменьшают сопротивление в цепи⁶². Эккерт также изобрел устройство, которое использовало метод световой модуляции для записи звука на кинопленку, и это устройство он успешно запатентовал, когда ему исполнился двадцать один год, а он был все еще студентом старшего курса⁶³.

У Преса Эккерта были свои причуды. В нем бурлила энергия, когда он думал, то расхаживал туда-сюда, кружился по комнате, грыз ногти, а иногда даже влезал на стол. Он носил цепочку от часов, на которой не было часов и которую он вертел в руках, как четки. У него был вспыльчивый характер, но вспышки гнева растворялись в море его обаяния. Перфекционизм он унаследовал от отца, который ходил по строительным площадкам, нося с собой большой набор цветных мелков, и набрасывал ими закорючки-инструкции, причем каждый цвет обозначал определенного работника, ответственного за данное дело. “Он был своего рода перфекционистом и проверял, все ли сделано правильно, – рассказывал его сын. – Но на самом деле он был страшно обаятельным. Чаще всего его задания выполняли люди, которым хотелось их выполнять”. Инженер до мозга костей, Эккерт чувствовал, что такие люди, как он сам, были необходимы таким физикам, как Мокли. “Физик – это тот, кто занят поиском истины, – сказал он позднее, – а инженер – это тот, кто озабочен тем, чтобы было сделано дело”⁶⁴.

ENIAC

Война стимулирует развитие науки. На протяжении веков, и когда древние греки построили катапульту, и когда Леонардо да Винчи служил военным инженером у Чезаре Борджиа, военные задачи способствовали развитию технологий, и это особенно ярко проявилось в середине ХХ века. Многие из главных технологических прорывов этого периода – компьютеры, высвобожденная атомная энергия, радиолокация и интернет – возникли вследствие решения военных задач.

США вступили во Вторую мировую войну в декабре 1941 года, что послужило толчком для принятия решения о финансировании машины, сконструированной Мокли и Эккертом. Университету Пенсильвании и Абердинскому военному испытательному полигону было поручено составить справочник по выставлению углов при стрельбах из артиллерийских пушек, поставляемых в Европу. Для того чтобы прицельно стрелять из пушки, требовались баллистические таблицы, в которых были бы учтены сотни условий, в том числе температура, влажность, скорость ветра, высота и сорт пороха.

Создание таблицы только для одного вида артиллерийских зарядов, выпускаемых из одной пушки, потребовало бы вычисления трех тысяч траекторий с помощью системы дифференциальных уравнений. Эти вычисления часто проводились с помощью одного из дифференциальных анализаторов, сконструированных в Массачусетском технологическом институте Вэниваром Бушем. Расчеты на анализаторе требовали дополнительных расчетов вручную, чем и занимались более 170 человек, большинство из которых были женщинами. Их называли “расчетчиками”, и они сражались с уравнениями, стуча по клавишам и крутя ручки настольных арифмометров. Лучших женщин-математиков собирали по всей стране. Но несмотря на все эти усилия, потребовалось более месяца, чтобы составить только одну таблицу траекторий стрельб. К лету 1942 года стало ясно, что с каждой неделей составление таблиц все больше отстает и это обесценивает некоторые виды поставляемой США артиллерийской техники.

В августе Мокли предложил способ помочь армии решить эту проблему, увеличив скорость расчетов. В своей докладной записке, названной “Использование высокоскоростных ламповых устройств для расчетов”, он просил профинансировать создание машины, которую они с Эккертом спроектировали: цифровой электронной вычислительной машины, использующей схемы на электронных лампах, которая могла бы решать дифференциальные уравнения и выполнять другие математические задачи. Он писал: “Если использовать устройства, в которых применяются электронные компоненты, можно получить огромный выигрыш в скорости расчета”. Он даже подсчитал, что траектория снаряда могла бы быть рассчитана за “100 секунд”⁶⁵.

Докладная записка Мокли была проигнорирована деканами Пенна, но ее довели до сведения офицера, прикомандированного к университету, – лейтенанта (вскоре ставшего капитаном) Германа Голдстайна, двадцатидевятилетнего профессора математики из Университета Мичигана. Его задача состояла в том, чтобы ускорить составление баллистических таблиц, и в какой-то момент он отправил свою жену Адель, также математика, в поездку через всю страну, чтобы набрать больше женщин в батальоны “расчетчиков” Пенна. Записка Мокли убедила его, что для этого есть лучший способ.

Решение военного министерства США профинансировать строительство электронного компьютера состоялось 9 апреля 1943 года. Накануне Мокли и Эккерт не спали всю ночь, работая над своим предложением, но так и не закончили его к тому моменту, когда нужно было садиться в автомобиль, который должен был за два часа доставить их из Пенна на полигон в Абердине (штат Мэриленд), где собрались чиновники отдела вооружений. Поскольку за рулем был лейтенант Голдстайн, они сидели на заднем сиденье и писали недописанные разделы, и они продолжили работать в маленькой комнате, даже когда прибыли в Абердин, а Голдстайн в это время пошел на совещание. Оно прошло под председательством Освальда Веблена, президента Института перспективных исследований в Принстоне, который консультировал военных по математическим проектам. Там присутствовал и полковник Лесли Саймон, директор баллистической научно-исследовательской лаборатории. Голдстайн вспоминал, как это происходило: “Веблен, послушав некоторое время мое выступление и качаясь на задних ножках своего стула, с грохотом опустил его, встал и сказал: «Саймон, дай Голдстайну деньги». С этими словами он вышел из комнаты, и встреча закончилась на этой радостной ноте”⁶⁶.

Мокли и Эккерт включили свою докладную записку в статью, которую они озаглавили “Отчет об электронном дифф. анализаторе”. Использование сокращения “дифф.” (diff.) имело двойной смысл – оно обозначало и разности (differences), которые отражали цифровой характер предлагаемой машины, и дифференциальные (differential) уравнения, которые предполагалось решать. Вскоре ей было дано более запоминающееся имя: ENIAC, что в переводе означает “электронный цифровой интегратор и компьютер”. Несмотря на то, что ENIAC был разработан в первую очередь для решения дифференциальных уравнений, которые являются ключевыми в расчетах траекторий снарядов, Мокли написал в статье, что он может быть дополнен “программатором” и это позволит ему решать другие задачи, что сделает его компьютером более общего назначения⁶⁷.

Строительство ENIAC началось в июне 1943 года. Мокли, который продолжал вести преподавательскую работу, работал в качестве консультанта и стратега. Голдстайн, как представитель военных, руководил производственным процессом и бюджетом. А Эккерт, с его страстью к деталям и перфекционизму, был главным инженером. Эккерт настолько погрузился в проект, что иногда оставался спать рядом с машиной. Однажды два инженера в шутку осторожно перенесли его раскладушку в такую же комнату этажом выше, и когда он проснулся, то на какое-то мгновение испугался, что машину украли⁶⁸.

Зная, что и величайшие идеи мало чего стоят без точного воплощения (урок, который усвоил Атанасов), Эккерт взял на себя каждодневное управление процессом сборки. Он носился между инженерами и указывал им, где припаять соединение или закрутить проволоку. Сам он рассказывал: “Я контролировал работу каждого инженера и проверял расчет каждого резистора в машине, чтобы убедиться, что все сделано правильно”. Он презирал тех, кто отмахивался от скучных дел. “Жизнь состоит из целого набора мелочей, – сказал он однажды. – Безусловно, компьютер есть не что иное, как огромный набор тривиальных вещей”⁶⁹.

Эккерт и Мокли дополняли друг друга, и подобные дуэты, которые обеспечивали два центра управления, были характерны для цифровой эры. Эккерт допекал исполнителей своим педантизмом, Мокли же, как правило, успокаивал их, давал им почувствовать свою ценность. “Он всегда шутил с людьми, – вспоминал Эккерт, – он умел обаять”. Эккерт, чьи технические таланты сочетались с нервозностью и неожиданными приступами рассеянности, очень нуждался в интеллектуальном собеседнике, и Мокли нравилась эта роль. Хотя Мокли и не был инженером, он умел так увязать научные теории с инженерными практическими вопросами, что это вдохновляло Эккерта. Позже он признался: “Мы сделали это вместе, и я не думаю, что кто-то из нас сделал бы это в одиночку”⁷⁰.

ENIAC был цифровой машиной, но вместо двоичной системы, которая использовала только 0 и 1, ее счетчики были рассчитаны на десятичную систему. В этом смысле она была не похожа на современный компьютер. Но в остальном она была более продвинутой, чем машины, построенные Атанасовым, Цузе, Айкеном и Стибицем. В ней была заложена возможность так называемого условного ветвления (описанного Адой Лавлейс веком ранее), то есть возможности переходов в программе, зависящих от промежуточных результатов, и она могла повторять блоки команд (подпрограммы), что позволяло выполнять общие задачи. Эккерт объяснял: “У нас была возможность включать в программы подпрограммы и подпрограммы подпрограмм”. Он вспоминал, что, когда Мокли предложил заложить эту функцию в машину, он “сразу понял, что это идея, которая станет ключевой для всей конструкции”⁷¹.

Через год после начала строительства, примерно во время операции D-Day^[13] – в июне 1944 года, Мокли и Эккерт уже смогли проверить первые два компонента, составляющие примерно одну шестую часть всего запланированного в машине. Они начали с простой задачи умножения, и когда машина выдала правильный ответ, они восторженно закричали. Но для того чтобы привести ENIAC полностью в рабочее состояние, потребовалось больше года – они закончили в ноябре 1945 года. К этому моменту машина была в состоянии выполнять пять тысяч сложений и вычитаний в секунду, то есть в сто с лишним раз быстрее, чем любая предыдущая машина. Машина была примерно 30 метров в длину и около 2,5 метра в высоту, она весила около тридцати тонн и включала в себя 17 468 электронных ламп. Для сравнения: компьютер Атанасова – Берри, в то время томившийся в подвале Университета Айовы, был размером с письменный стол, в нем было только триста ламп, и он мог выполнять только тридцать сложений или вычитаний в секунду.

Блетчли-Парк

В конце 1943 года другой электронный компьютер, использующий электронные лампы, собирали в условиях строгой секретности в подвале викторианской усадьбы из красного кирпича, расположенной в городе Блетчли. Но в то время немногие посторонние знали об этом и не будут знать еще в течение более трех десятилетий. Блетчли – городок примерно в девяноста километрах к северо-западу от Лондона, и там англичане собрали команду гениальных теоретиков и инженеров для того, чтобы взломать немецкие коды, используемые теми во время войны. Компьютер, названный Colossus, был первым полностью электронным, частично программируемым компьютером. Поскольку машина была предназначена для решения определенной задачи, она не была машиной общего назначения, но в его конструкции проявилось влияние Алана Тьюринга.

Тьюринг начал интересоваться кодами и криптологией осенью 1936 года, когда сразу после написания статьи “О вычислимых числах” прибыл в Принстон. Он объяснил свой интерес к криптологии в письме к матери в октябре того же года:

Я только что обнаружил возможное применение тех идей, над которыми я работаю в настоящее время. Они отвечают на вопрос: “Каков наиболее общий возможный вид кода или шифра” и в то же время (что довольно естественно) позволяют мне построить много специфических и интересных кодов. Один из них почти невозможно раскодировать без ключа, и им очень быстро кодировать. Я думаю, я мог бы продать их правительству его величества за довольно внушительную сумму, но сомневаюсь, что это этично. Что ты думаешь по этому поводу?⁷²

В следующем году, поскольку Тьюринга тревожила угроза войны с Германией, он стал больше интересоваться криптографией и меньше – попытками заработать на ней деньги. В конце 1937 года, работая в механической мастерской физического факультета Принстонского университета, он сконструировал первые элементы кодирующей машины, в которой буквы превращались в двоичные числа, а затем это закодированное числовое сообщение умножалось с помощью электромеханических реле в качестве переключателей на огромное секретное число. В результате сообщение было практически невозможно расшифровать.

Одним из наставников Тьюринга в Принстоне был Джон фон Нейман – блестящий физик и математик, бежавший из родной Венгрии и работавший в Институте перспективных исследований, в то время располагавшемся в здании математического факультета Принстонского университета. Весной 1938 года, когда Тьюринг закончил докторскую диссертацию, фон Нейман предложил ему место своего ассистента. Над Европой в это время сгущались тучи приближающейся войны, так что предложение было заманчивым, но Тьюринг чувствовал, что остаться было бы непатриотично. Он решил вернуться к своей работе в качестве стипендиата в Кембридже, а вскоре после приезда присоединился к группе британских инженеров и ученых, работавших над взломом немецких военных кодов.

Школа кодирования и шифрования была в то время расположена в Лондоне, и там работали в основном гуманитарии, такие как Дилливан Нокс – “Дилли”, профессор классической литературы из Кембриджа, и Оливер Стрэчи – дилетант, светский лев, периодически музицировавший на фортепиано и писавший об Индии. До осени 1938 года, когда Тьюринг присоединился к команде, среди восьмидесяти сотрудников не было математиков. Но следующим летом, когда Великобритания начала готовиться к войне, в отдел стали активно набирать математиков. В какой-то момент для отбора претендентов даже проводился конкурс, включавший решение кроссворда из Daily Telegraph. Отдел тогда переехал в унылый городок Блетчли, главным преимуществом которого было то, что он находился на пересечении железной дороги, связывающей Оксфорд с Кембриджем, и дороги из Лондона в Бирмингем. Команда из Британской службы внешней разведки (МИ-6), выдавая себя за “Стрелковый клуб капитана Ридли^[14]”, посетила усадьбу Блетчли-Парк – чудище, построенное в стиле викторианской готики, которое его владелец давно хотел снести, и незаметно купила его. Взломщики кодов помещались в коттеджах, конюшнях и нескольких сборных домиках-хижинах, возведенных в прилегающем к дому парке⁷³.

Тьюринг был приписан к команде, работающей в хижине № 8 и пытавшейся разгадать немецкий код Enigma (“Загадка”), который генерировался с помощью одноименной портативной машины, включавшей механические роторы и электрические цепи^[15]. Она кодировала секретные сообщения с помощью шифра, который после каждого удара по клавише изменял правило для замены буквы. Процесс дешифровки был таким сложным, что англичане в какой-то момент отчаялись когда-либо сделать это. Прорыв произошел, когда польские офицеры разведки создали машину на основе трофейной немецкой шифровальной машины, с помощью которой удалось взломать некоторые коды “Энигмы”^[16]. Однако к тому времени, когда поляки показали британцам свою машину, она была уже более-менее бесполезной, поскольку к своей машине немцы добавили еще два ротора и подсоединили еще две коммутационные панели.

Тьюринг и его команда начали работать над созданием более сложной машины, получившей название “Бомба”, которая могла бы расшифровать сообщения с обновленной “Энигмы”, в частности приказы по военно-морскому флоту, позволяющие следить за перегруппировкой подводных лодок, истреблявших британские конвои. “Бомба” использовала разнообразные слабые места в кодировании, в том числе то, что никакие буквы не могли быть зашифрованы по отдельности, и то, что некоторые фразы немцы в своих сообщениях неоднократно повторяли. К августу 1940 года команда Тьюринга имела две работающие “Бомбы”, которые смогли расшифровать 178 закодированных сообщений; к концу войны их было построено около двухсот машин.

“Бомба”, сконструированная Тьюрингом, не стала крупным шагом вперед в развитии компьютерной технологии. Это было электромеханическое устройство с реле в качестве переключателей и роторами, а не электронное устройство на лампах и электронных схемах. Но следующая машина, сконструированная в Блетчли-Парке, – Colossus стала такой важной вехой.

Необходимость в Colossus возникла тогда, когда немцы начали кодировать важные сообщения, например приказы Гитлера и его верховного командования, с помощью электронной цифровой машины, которая использовала двоичную систему и двенадцать кодирующих дисков (роторов) неодинакового размера. Электромеханические “Бомбы”, разработанные Тьюрингом, были бессильны расшифровать такие сообщения. Для них требовались устройства, использующие молниеносно работающие электронные схемы.

Ответственная за эту проблему команда расположилась в хижине її, она называлась “Ньюманри” в честь ее руководителя – Макса Ньюмана, преподавателя математики, который почти за десять лет до того познакомил Тьюринга с проблемами Гильберта. Техническим руководителем работ был назначен партнер Ньюмана, ас в электронике и специалист по электронным лампам Томми Флауэрс, который до того работал на исследовательской станции почтамта в Доллис-Хилл, пригороде Лондона.

Тьюринг не был частью команды Ньюмана, но придумал статистический подход, получивший название “Тьюрингери”, с помощью которого обнаруживались любые отклонения от равномерного распределения символов в потоке зашифрованного текста. В результате была построена машина, которая с помощью фотоэлектрических головок могла сканировать два рулона перфорированной бумажной ленты и сравнивать все возможные изменения в двух последовательностях. Машина получила название “Хит Робинсон” в честь британского художника-карикатуриста, который, как и Руби Голдберг в Америке, любил изображать сложные, но бессмысленные механические устройства.

В течение почти десятилетия Флауэрс был увлечен конструированием электронных схем на лампах, которые он и другие британцы называли valves (“вентили”). В 1934 году, когда он работал инженером телефонного подразделения почтамта, Флауэрс создал экспериментальную систему, в которой использовалось больше трех тысяч ламп для контроля соединений тысячи телефонных линий. Он первым предложил использовать электронные лампы для хранения данных. Тьюринг предложил пригласить Флауэрса для помощи в изготовлении “Бомб”, а затем представил его Ньюману.

Флауэрс понял, что единственный способ достаточно быстро дешифровать закодированные сообщения немцев – попытаться сохранить по крайней мере одно из них во внутренней электронной памяти машины, а не сравнивать два рулона перфорированной бумажной ленты. Такая память потребовала бы использования 1500 электронных ламп. Сначала руководители из Блетчли-парка были настроены скептически, но Флауэрс настоял на своем, и в декабре 1943 года, всего через одиннадцать месяцев, он закончил первый вариант Colossus. А к 1 июня 1944 года была готова еще более громоздкая версия, использующая 2400 электронных ламп. В первом декодированном перехваченном сообщении говорилось, что Гитлер не посылает дополнительные войска в Нормандию, и оно подтвердило информацию из других источников, уже поступившую к генералу Дуайту Эйзенхауэру, готовому вот-вот начать вторжение в Нормандию. В течение года было произведено еще восемь Colossus.

Это означало, что задолго до ENIAC, который так и не заработал до ноября 1945 года, британские взломщики кодов построили полностью электронный и цифровой (в действительности двоичный) компьютер. Вторая версия, построенная в июне 1944 года, была способна даже производить некоторое условное ветвление. Но в отличие от ENIAC, который включал в себя в десять раз больше ламп, Colossus был специализированной машиной, предназначенной для взлома кодов, а не компьютером общего назначения. Из-за ограниченной программируемости он не мог решать все вычислительные задачи, которые мог (в теории) ENIAC.