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第10回 コンピュータの発明(2009年6月26日)

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第10回 コンピュータの発明(2009年6月26日)
産業と技術の歴史
第10回 コンピュータの発明
2009年6月26日
国際環境経営学部 大谷卓史
目次
ƒ 前回課題について
ƒ コンピュータの発明
ƒ 本日の課題
前回課題について
ƒ バベッジの解析機関および、ハーバード・マ
ークIは、現代のコンピュータとどこが違うだろ
うか?前回までのノートを参考にして、あなた
の意見を書いてみよう。
ƒ ヒント:現代のコンピュータは次の特徴がある。
ƒ 二進数の採用
ƒ プログラム内蔵方式
ƒ 逐次処理
ƒ 条件分岐とループによるプログラミング
前回課題について
ƒ 現代のコンピュータは、①数の内部表現への二進数の採用、②プログラ
ム内蔵方式、③逐次処理の3点の特徴がある。また、プログラミングには
、ループと条件分岐が必須である。
ƒ バベッジの解析機関は、歯車機構を基本とした機械式計算機だったもの
の、演算を行うミル(mill)と計算の途中結果を記憶するストア(store)か
ら構成されていた。演算部と記憶部が分離していることは、現代のコンピ
ュータに類似している。また、ループと条件分岐の基本的な制御が組み
込まれていた点は、現代のプログラミングを予見するものだった。それゆ
えに、解析機関は現代のコンピュータの原型であると呼ばれることも多い
。
ƒ しかしながら、解析機関は数を10進数によって表現していたうえ、計算や
命令の手順を記憶する機能は想定されていなかったので、現代のコンピ
ュータとは大きくアーキテクチャが異なる。なお、解析機関の桁上げ予測
機構に近い計算結果を予測して計算を実行する手法は、現代のコンピュ
ータにも存在する(たとえば、投機・・)。
前回課題について
ƒ 一方、エイケンのハーバード・マークIは、継電器を使用する電気機械式
計算機で、紙テープによって与えられた一連の命令によって自動計算を
はじめて大規模に実装した点で重要である。
ƒ しかしながら、10進数による内部表現に加えて、紙テープによる命令は
内部に記憶されることはなかった。また、プログラミングにおいては、紙テ
ープを物理的にループさせることで同じ命令を繰り返すループの概念は
あったものの、条件分岐はできなかった。この点で、バベッジのコンピュ
ータよりも後退していたと評価することもできるだろう。
コンピュータの発明
ƒ アタナソフとベリーの計算機
ƒ ENIAC
ƒ フォン・ノイマンとEDVAC報告書
ƒ 誰がコンピュータを発明したのか?
アタナソフとベリーの計算機
ƒ ジョン・アタナソフ(1903-1995)
物理学者。
1930年代、アイオワ州立大学物理学・数学講師。
1939年、デジタル自動計算機を完成。
1942年∼1945年 戦時研究に従事。
1952年∼ 技術企業を経営。
1960年代、スペリーランドvsハネウェル裁判で脚光。
アタナソフとベリーの計算機
開発の経緯
ƒ 1930年代半ば、アタナソフ、連立一次方程式を解ける自動
計算機を構想。
ƒ 最初はアナログ計算機を計画。その後、多数の変数をもつ大規模な
方程式を高速に解くため、電子工学の利用を着想。
ƒ 大学院生のクリフォード・ベリーを助手として作業を開始。
ƒ 1937年、アタナソフ、真空管を使うデジタル自動計算機の構
想をまとめる。
ƒ ある夜計算機のことを考えながらイリノイ州までドライブ。道路わきの
食堂で酒を頼んで、真空管を使うデジタル自動計算機に関する考え
をまとめたと伝えられる。
ƒ 1939年終わり、アタナソフ、計算機のプロトタイプを完成。
アタナソフとベリーの計算機
基本仕様とアーキテクチャ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
演算部と記憶部の分離。
演算基本回路:真空管を素子とする論理回路。
加算器の仕様:30ビットの2進計算。
記憶部の仕様:コンデンサを円周上に配置、ブラシでデータ
の読み書きを実行。電荷として変数の計数や計算の途中結
果を記憶。ジョギング操作。
ƒ ジョギング:時間が経過してコンデンサの電荷が少なくなるともう一度
書き込みを行う操作のこと。
ƒ 加算と減算だけで実行できるガウスの消去法によって、一次
連立方程式を解く。
アタナソフとベリーの計算機
モークリとの出会い
ƒ ジョン・モークリ(1907-1980)
物理学者。
1933-1941年 アーシナス大学物
理学教授。
当時、太陽活動の天候への影響
をデジタル計算機で解析すること
に関心。
1941年、アタナソフを訪問。
1941年、ペンシルヴァニア大学へ
移動。
1942-1946年 ENIAC開発。
1944-1946年 EDVAC開発。
1946年 コンピュータ企業をエッ
カートとともに設立。
ENIACのプリントアウトを調べるモークリ(右)と
エッカート。1946年の新聞記事より。
写真は米国政府によるもの。
アタナソフとベリーの計算機
モークリとの出会い
ƒ 1940年12月、アタナソフ、米国科学振興協会
(AAAS)の会合で、モークリと邂逅。
ƒ モークリ、太陽活動が天候に及ぼす影響を調査するため
、真空管かネオン管を使用するデジタル計算機を構想。
ƒ しかし、電気工学の知識がないため、自力で真空管回路
を組み立てることができなかった。
ƒ 1941年6月、モークリ、アタナソフを訪問し、
計算機を見学。
ƒ アタナソフに執拗に質問(アタナソフの妻は悪印象)、いっ
しょに計算機の保守作業や操作を実施、デジタル回路に
関する知見を得たと考えられる。
アタナソフとベリーの計算機
開発の終焉
ƒ 1942年、アタナソフは計算機研究を中断→
機械は試作機のまま。
ƒ アタナソフ、海軍に召集され、戦時研究のために
ワシントンに向かう。
ƒ ベリー、就職してカリフォルニア州に移転。
ƒ アタナソフとモークリとの交流はその後も継続
。アタナソフ自身は計算機研究への関心を持
続させる。
コンピュータの発明
ƒ アタナソフとベリーの計算機
ƒ ENIAC
ƒ フォン・ノイマンとEDVAC報告書
ƒ 誰がコンピュータを発明したのか?
ENIAC
開発の経緯(1)
ƒ 1941年夏、モークリ、ペンシルバニア大学ムーア・
スクールの夏季講習を受講。その後、同校に就職。
ƒ 戦争に備えて、物理学者・数学者を技術者として育成す
るプログラム(ESMWT)。すでに、欧州では戦争が開始。
ƒ 米国陸軍弾道研究所(BRL)、ムーアスクールの微分解
析機を使用して、弾道表整備を実施。
ƒ 電気工学者プレスパート・エッカート(1919-1995)との交
友開始。
ƒ 同じころ、ムーア・スクール、弾道計算のための人間コン
ピュータの訓練を実施。
ƒ 1941年12月、米国、第二次世界大戦に参戦。
ENIAC
ƒ プレスパート・エッカート(1919-1995)
ƒ 1942-1946年 ENIAC開発
ƒ ENIACの設計・製作を実質的に担当。
ƒ 複雑で巨大なシステムを構築するため、さまざまな技
術的工夫を案出。
ƒ 「コンピュータ時代のブルネル」(キャンベル=ケリー、
アスプレイ)
ƒ 1944-1946年 EDVAC開発
ƒ 技術的中心。
ƒ 1946年、モークリとともにコンピュータ企業を設立
。
ENIAC
開発の経緯(2)
ƒ 1942年8月、モークリ、「高速真空管装置の計算へ
の利用」というメモを作成。
ƒ 弾道表作成には膨大な計算が必要。ムーア・スクールで
は200名の人間コンピュータを雇用。
ƒ 弾道計算を効率化するため、真空管によるデジタル計算
機構想の概略を整理。
ƒ 1943年4月、モークリとエッカート、「電子差分解析
機」の企画書を陸軍に提出。
ƒ BRLが採用、「プロジェクトPX」と名づける。
ƒ 1944年、「解析機の基本設計が完了。
ƒ 自動計算機の名前は、ENIAC(電子自動数値統合・計算
機)に変更。
ENIAC
アーキテクチャと基本仕様
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
重量:約27トン
大きさ:2.6m×0.9m×26m
アーキテクチャ:多数の微分解析機の並列接続。
素子:約1万8000本の真空管。
基本回路:カウンタ(累算器)。演算部と記憶部の一
体化。
ƒ 計算はソロバンのように実行。
ƒ プログラム:配線の物理的組み替え。
ƒ 内部の数値表現:10進数。
ENIAC
ƒ ENIACに数値を入力するゴールドスタイン大
尉(後述)。
ENIAC
開発の経緯(3)
ƒ 1945年11月、ENIAC完成。
ƒ 当初目的の弾道計算に加えて、水爆の設計など
にも利用。
ƒ ENIACは、最初のプログラム可能な汎用デジタ
ル電子計算機。
ƒ ENIACを汎用デジタル計算機にするアイデア
は、数学者フォン・ノイマンによるもの。
コンピュータの発明
ƒ アタナソフとベリーの計算機
ƒ ENIAC
ƒ フォン・ノイマンとEDVAC報告書
ƒ 誰がコンピュータを発明したのか?
フォン・ノイマンとEDVAC報告書
ƒ ジョン・フォン・ノイマン(1903-1957)
ƒ ハンガリー出身の天才数学者・科学者。
ƒ 量子力学の数学的基礎、コンピュータ開発、ゲー
ム理論などの研究で知られる。
フォン・ノイマンとEDVAC報告書
フォン・ノイマンとENIACの出会い
ƒ 1944年初夏、ハーマン・H.ゴールドスタイン
大尉、アバディーン駅でフォン・ノイマンと邂逅
。
ƒ メリーランド州アバディーン駅は、BRLの最寄駅。
ƒ ゴールドスタインは、BRL所属、ENIAC計画を採
用した技術将校。
ƒ 当時、フォン・ノイマンはマンハッタン計画の顧問
。原爆の爆縮に必要な複雑な計算を実行する計
算機を探していた。
フォン・ノイマンとEDVAC報告書
ENIACからEDVACへ
ƒ 1944年8月、フォン・ノイマン、ENIACを見学。
ƒ フォン・ノイマン、ENIACの論理設計の問題を指
摘。
①
②
③
複雑な偏微分方程式を解くには記憶容量が不足。
10進数を採用するために記憶容量の割には回路が複雑で真
空管の本数が多過ぎる。
配線を変えなければならないのでプログラムをやり直すのにき
わめて時間がかかる。
ƒ フォン・ノイマン、ENIACグループの顧問に就
任。「プロジェクトPY」開始。
ƒ 後継計算機は、EDVAC(電子離散可変自動コン
ピュータ)と呼ばれる。
フォン・ノイマンとEDVAC報告書
EDVACの開発
ƒ 記憶容量不足への対応→水銀遅延線の採用。
ƒ 水銀遅延線:水銀を満たした水槽。音響パルスで数字を表現。
ƒ 音は5フィートの水槽を往約1ミリ秒かけて往復。
ƒ 1パルスを1マイクロ秒とすれば、約1ミリ秒の遅れを使って1000個の
水銀遅延線の採用や、仕様を現
数字を記憶可能。
実的なものにするなど、EDVAC
ƒ 複雑すぎる回路への対応→2進数の採用
開発には、エッカートの貢献がき
ƒ 真空管の本数を削減。故障リスクを低減。
わめて大きい。
ƒ プログラムの効率化→プログラム内蔵方式の採用。
ƒ 基本回路に論理回路を採用。
ƒ 演算部と記憶部を分離。
ƒ 記憶部にプログラムも格納し、必要に応じて記憶したプログラムを書
き換える。
フォン・ノイマンとEDVAC報告書
EDVAC報告書(1)
ƒ 1945年6月30日、フォン・ノイマン、「EDVACに関す
る報告書第一草稿」(EDVAC報告書)を作成。
ENIACグループ24名に回覧。
ƒ 著者名は、フォン・ノイマンのみ。
ƒ アーキテクチャ説明のために、コンピュータの内部命令と
、内部命令を使ったソートとマージのプログラムも掲載(フ
ォン・ノイマンの作成したもの)
フォン・ノイマンとEDVAC報告書
EDVAC報告書(2)
ƒ EDVAC報告書、グループメンバーから外部へと公
開→EDVAC報告書に記述されたコンピュータは、「
フォン・ノイマン型コンピュータ」と称される。
ƒ フォン・ノイマンの論理的・理論的説明が、現代のコンピュ
ータの原理を明確化。
ƒ 報告書の著者名がフォン・ノイマンのみ。
フォン・ノイマンとEDVAC報告書
現代のコンピュータの誕生(1)
ƒ 1946年2月16日、ENIAC外部に公開。
ƒ 1946年7月8日∼8月31日、ムーア・スクール
・レクチャー実施。
ƒ 講師は、モークリ、エッカート、ゴールドスタイン、
バークスなどのENIAC開発者に加えて、フォン・
ノイマン、エイケンが担当。
ƒ 受講者は、米国内外の若い科学者・技術者。
ƒ EDVACは当初機密扱いだったため、講義の主
要内容はENIACに関するもの。講習終わり近く
になって機密解除となり、資料を投射して説明。
資料は受講者が作成したノートのみ。
フォン・ノイマンとEDVAC報告書
現代のコンピュータの誕生(2)
ƒ 1948年6月21日、マンチェスター大学、最初
のプログラム内蔵方式コンピュータを完成。
ƒ 戦時中暗号解読機研究を行っていたマックス・ニ
ューマンが指導。
ƒ F.C. ウィリアムズ、ブラウン管(CRT)の記憶装置
を発案。
ƒ 「マンチェスター・ベイビー・コンピュータ」
フォン・ノイマンとEDVAC報告書
現代のコンピュータの誕生(2)
ƒ 1949年5月6日、ケンブリッジ大学、EDSAC
を完成。最初のプログラムを読み込む。
ƒ モーリス・ウィルクス、1946年夏、ムーア・スクールレクチ
ャーに参加。ウィルスクスは戦時中レーダー研究に従事。
ƒ 1946年10月、ケンブリッジに帰還。大学の補助金を受け
てコンピュータ開発を開始。
ƒ CRTではなく水銀遅延線を記憶装置に採用→EDSAC(
電子遅延線自動計算機)
ƒ 1947年2月までに、水銀遅延線を完成。
ƒ 1949年春、ほぼEDSACを完成。
ƒ EDSACの仕様:3000本の真空管、32個の水銀遅延線、
テレタイプ装置による入出力、消費電力30kW。
コンピュータの発明
ƒ アタナソフとベリーの計算機
ƒ ENIAC
ƒ フォン・ノイマンとEDVAC報告書
ƒ 誰がコンピュータを発明したのか?
誰がコンピュータを
発明したのか?
ƒ アタナソフ説
ƒ モークリはアタナソフのアイデアを奪ったに過ぎ
ない・・・バークス夫妻、モレンホフの説。
ƒ 1960年代、スペリーランドvsハネウェル裁判
→ENIAC特許を無効と判断。
ƒ エッカート、モークリ説
ƒ アタナソフの計算機のENIACへの影響は一部に
すぎない・・・セルージの説。
ƒ ENIAC裁判は先取権を争うものではない。ABC
という名称は裁判を有利に運ぶために案出され
た・・・マッカートニー説。
誰がコンピュータを
発明したのか?
ƒ アタナソフの計算機は、ENIACよりも確かに
先進的な面があった。
ƒ 実用的な真空管回路の採用。
ƒ 演算部と記憶部の分離。
ƒ 2進数の採用。
ƒ しかし、モークリー、エッカート、フォン・ノイマ
ンが現代のコンピュータの発明者である。
ƒ 用途を限定しない汎用計算機(フォン・ノイマン)。
ƒ プログラム内蔵方式(モークリ、エッカート、フォン
・ノイマン)の思想。
ENIACからEDVACへ
簡単なまとめ
ƒ ENIACの改良によって、EDVACの構想が誕生。
ƒ EDVAC構想の起源
ƒ 真空管によるデジタル回路・・・アタナソフの計算機に由
来。
ƒ 2進数によるデジタル論理回路による演算・・・クロード・シ
ャノン(1916-2001)の1930年代の研究。
ƒ プログラム内蔵式・・・モークリとエッカート、フォン・ノイマ
ンら。
ƒ 水銀遅延線と音響パルス・・・戦時中レーダー研究の中で
発展→逐次処理。
本日の課題
ƒ 次の2つの質問に答えてください。
ƒ ENIACのどのような問題点を改良する中で、現
代のコンピュータ(フォン・ノイマン型コンピュータ)
の特徴が生まれたか説明しなさい。
ƒ なぜモークリとエッカート、フォン・ノイマンが現代
のコンピュータの発明者であるといえるのか説明
しなさい。また、それにもかかわらず、なぜ「フォン
・ノイマン型コンピュータ」と呼ばれるようになった
かをあわせて説明しなさい。
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