English

Počátky výzkumu matematických strojů na našem území

Úvod

Neoddělitelnou součásti kybernetiky jsou universální i specialisované počítače, které v době svého vzniku bývaly často označovány jako matematické stroje (též stroje na zpracování informaci), neboť mohou být nástrojem (přímým nebo nepřímým) k řešení mnoha matematických problémů, a současně i při jejich navrhování se jejich konstruktéři neobejdou bez využívání matematických metod. Počítače jsou nezbytným prvkem pro ovlivňování řiditelných systémů a tedy i jakýchkoliv regulovatelných procesů. Proto z definice kybernetiky vyplývá, že počátek výzkumu matematických strojů musel probíhat souběžně s jejími počátky. Zde si všimneme počátků počítačů na území dnešní České republiky v období do šedesátých let 20. století, jejichž byl autor tohoto článku účastníkem.

1. Organisační počátky výzkumu

V roce 1946 se malá skupina osobností, které se zajímaly o stroje na zpracování informací, scházela na přednáškách Antonína Svobody na Českém vysokém učení technickém v Praze. Tato skupina se skládala ze studentů a z některých pracovníků vývojového oddělení podniku Zbrojovka v Praze. Tato továrna, vyrábějící mechanické děrnoštítkové stroje, byla později transformována na podnik s názvem Aritma Vokovice. Výsledkem prvního výzkumu, prováděného v tomto oddělení pod vedením Antonína Svobody, byl kalkulační děrovač T50 [1], vytvořený na reléovém principu.

V roce 1950, v témž roce, kdy Norbert Wiener vydal známou knihu Cybernetics and Society, vznikl v Československu Ústřední ústav matematický, jehož ředitelem byl Eduard Čech. O dva roky později pak vznikla Československá akademie věd (ČSAV), jejíž součásti se tento ústav stal. Jeho částí bylo oddělení výzkumu matematických strojů vedené Antonínem Svobodou, které se rychle osamostatnilo jako Ústav matematických strojů ČSAV. Jakmile se výzkum, vývoj a výroba strojů na zpracování informací staly průmyslovým odvětvím, byl tento Ústav převeden pod Ministerstvo všeobecného Strojírenství jako Výzkumný ústav matematických strojů, což bylo v roce 1958. Ústav se zabýval navrhováním počítačů digitálních i analogových, teoretickým výzkumem logických obvodů a algoritmů, potřebných ke konstrukci počítačů, výzkumem metod programování počítačů včetně progresivních programovacích technik, a od roku 1952 také propagaci moderních metod na zpracování informací prostřednictvím organisování vědeckých konferencí se zahraniční účastí, přednášek, seminářů a kursů, a publikováním jejich sborníků.

2. Některé projekty prvních českých počítačů

Prvním speciálním počítačem určeným pro vyšetřování krystalových struktur, vyvinutým ve Výzkumném ústavu matematických strojů, byl reléový počítač M1 [2], který prováděl třírozměrnou Fourierovu syntézu. Jeho obecná koncepce vznikla v roce 1950 ve spolupráci s Ústředním ústavem fysikálním. Realisován byl v Aritmě v letech 1951-1952. Pracoval V binárním kódu a umožňoval provést přibližně 40 operací za sekundu.

Univerzální počítač SAPO [3] byl pětiadresový reléový paralelní binární počítač s magnetickou bubnovou pamětí pro 1024 slov, z nichž každé obsahovalo 32 bitů. Byla použita pohyblivá řádová čárka, vstup a výstup byl realisován pomoci děrných štítků.

Aritmetická jednotka byla trojnásobná, k zajištění proti náhodným chybám, takže každý výpočet probíhal třikrát paralelně. Zkušenosti s počítačem SAPO byly využity při konstrukci dalších reléových počítačů. To byl například počítač Ela, jehož výrobcem byla NISA Proseč v roce 1960, řízený děrnou páskou, který měl reléovou paměť o deseti slovech, využívající polarisovaná relé nového typu.

Počítač E1b, vyrobený v roce 1962 ve Zbrojovce Brno, měl bubnovou paměť o 1000 slovech, vstup a výstup pomocí děrné pásky a klávesnice, a elektrický psací stroj. Tento počítač pracoval s dekadickým vstupem a výstupem, s pohyblivou řádovou čárkou. Instrukce byla (2+1)-adresová, zpracovávala čísla o deseti dekadických místech, slovo mělo 13 dekadických míst. Jedno násobení trvalo přibližně 0,5 sec. Dělení bylo prováděno pomocí jediné instrukce a trvalo přibližně 1,2 sec. Na počítač mohlo být napojeno až 10 vstupních a výstupních jednotek. Operační vlastnosti umožňovaly do značné míry automatisovat programování pomocí pseudoinstrukcí [4]. Počítač byl určen pro vědeckotechnické výpočty [23]. Byl používán například pro výpočet vstupních údajů pro numerický lineární interpolátor určený pro numerické řízení obráběcích strojů [22], a ke studiu vlastností algoritmů pro optimalisaci výrobních procesů.

Jako experimentální model byl v roce 1962 vytvořen počítač MNP 10, založený na reléovém řízení a seriové aritmetické jednotce s ferritovou pamětí a diodami.

Nový pracovní směr byl započat projektem malého transistorového počítače MSP v roce 1960. Měl ferritovou paměť o 2500 slovech. Pracoval v dekadické soustavě s alfanumerickými daty. Operační časy zde byly 140 ms pro sečítání, 980 ms pro násobení a 3,75 ms pro dělení s dvanáctimístným slovem. Autoři návrhu operačního kódu tohoto počítače i jeho kompilátoru pro ALGOL 60 byli Václav Fabian a Otomar Hájek. Oba dnes pracují v USA.

Výzkumný ústav matematických strojů ve spolupráci s podnikem Aritma vyvinul v té době též děrnoštítkový transistorový počítač DP 100 s proměnnou délkou instrukce a speciálním logickým obvodem pro neadresové čtení instrukcí.

Hlavní úsilí Ústavu v letech 1962-63 bylo zaměřeno na návrh a konstrukci Universálního systému na zpracování dat EPOS [5], [6], [7]. Ten má modulární strukturu složenou ze základního počítače, na kterou mohou být napojeny různé vstupní, výstupní a paměťové jednotky podle potřeby jednotlivých uživatelů. Systém má stavebnicovou strukturu a může pracovat v režimu sdílení času s pěti vzájemně zcela nezávislými programy. Základní počítač systému EPOS je dekadický jednoadresový serio-paralelní počítač, pracující se slovy o dvanácti dekadických místech a s čísly s pohyblivou řádovou čárkou. Paměťový systém 1 obsahuje rozšiřitelnou ferritovou paměť o základní kapacitě 2000 slov, magnetickou bubnovou paměť o 50000 slovech a potřebný počet magnetických páskových jednotek. Systém je vybaven automatickou detekcí chyb a korekcí.

Systém EPOS 1, jehož základními prvky jsou elektronky, umožňuje sčítání za 52 ms, násobení za 208 ms a dělení za 1,196 ms. Transistorová verse EPOS 2 má operační časy podstatně kratší.

Od roku 1957 Ústav pracoval též na rozvoji systémů pro numericky řízené frézování. Pro tyto účely byly navrženy a vyráběny speciální počítače. Byly to čtyři typy numerických lineárních interpolátorů - od reléového NLI-1 po ferrotransistorový NLI-4. Byl vyvinut též systém pro frézování obrysů se spojitou derivací (kvadratický interpolátor) DAPOS (tato zkratka znamená Diferenciální analyzátor pro obráběcí stroje). Pro obecnější aplikace v automatizaci byl vyvinut modulární systém logicky stavěných bloků LOGIZET. Metodiku programování pro tyto interpolátory vytvořil Luděk Granát, který později byl též autorem známých knih o počítačové grafice.

Pokud se týká analogových počítačů, můžeme uvést tyto příklady, charakterisující tehdejší dobu:

Malý elektronický diferenciální analysátor MEDA [8], seriově vyráběný od roku 1958, a velký diferenciální analysátor ANALOGON [9] Sestavený vroce 1961. V Ústavu byl vyvinut též elektromechanický diferenciální analyzátor EMDA [10], a různé malé speciální analogové stroje jako např. [11], [12].

V teoretické práci bylo velké úsilí věnováno teorii logických obvodů, jejich analyse a synthese [13], [14], [15], [16]. Velkého pokroku bylo dosaženo též v teorii kódování, v teorii algoritmů, v metodice detekce chyb vyplývajících z použití nedokonalých prvků, a v ekonomii kvantity elementů. Hodně pozornosti bylo u nás v té době věnováno též tvorbě systémů automatického programování (např. [17], [18], [21], [4]) a strojového překladu (např. [19]). Byly též studovány různé jazyky vhodné pro problémy hromadného zpracování dat. Např. v práci [20] dosáhl důležitých výsledků v této oblasti i pozdější předseda Nejvyššího statistického úřadu Edvard Outrata.

3. I Brno se zasloužilo o počátky výzkumu a vývoje počítačů u nás.

Brněnská Zbrojovka se v šedesátých letech 20. století stala výrobně hospodářskou jednotkou, jejíž součástí se stal i Výzkumný ústav matematických strojů v Praze. Z toho vyplynulo, že její oddělení výzkumu a vývoje matematických strojů pod vedením Jaromíra Vlašína vyvinulo a vyrobilo jak zmíněný počítač E1b, tak i numerický lineární interpolátor NLI a kvadratický interpolátor DAPOS. Ve stejné době vznikla na VUT Brno Laboratoř počítacích strojů, vedená Milošem Zlámalem, která se zaměřovala na využívání počítačů dovážených ze zahraničí. Jako první tam byly dány do provozu počítače LGP 30, MINSK 22 a DATASAAB D21. Na elektrotechnické fakultě VUT Brno založil Václav Kudláček katedru teoretické kybernetiky, a současně učinil teoretickou kybernetiku oborem studia vědecké aspirantury (dnešní doktorské studium). Do historie světové vědy se zapsal svou matematickou teorií systémů. Z významných brněnských osobností nesmíme zapomenout ani na Jaroslava Balátěho, který založil na strojní fakultě VUT Brno obor doktorského studia Technická kybernetika, ze kterého vyšlo velké množství úspěšných absolventů s titulem PhD.

4. Závěr

V tomto článku jsem se pokusil podat informace o počátcích výzkumu počítačů na našem území. Výzkum a výrobu vlastních českých počítačů koordinoval v té době Výzkumný ústav matematických strojů v Praze. Tehdejší návrhy a projekty českých počítačů patřily ke světové špičce. Toto ovšem platilo pro matematické návrhy a projekty. Horší to bylo s kvalitou a spolehlivostí technických prvků (tranzistorů, elektronek apod.), na něž byli naši tvůrci počítačů odkázáni, a které nemohli ovlivnit. Proto byly u nás vytvořeny i metody detekce chyb vyplývajících z použití nedokonalých prvků a metody odstraňování těchto chyb. Navrhování a výroba prvních českých počítačů poskytly neocenitelné zkušenosti našim pracovníkům, z nichž mnozí (např. George J. Klír, Antonín Svoboda, Václav Fabian, Otomar Hájek) se později uplatnili na rozhodujících místech v zahraničí. Tyto zkušenosti se ovšem přenášejí z generace generaci, takže ovlivňují náš život i dnes, kdy nevyrábíme naše vlastní počítače, ale dovážíme je ze zahraničí. Dovedeme proto více ocenit velkou práci a úsilí, které bylo zapotřebí k jejich vytvoření.

Seznam literatury

[1] Information Processing Machines, vol. 1, Publishing house of Czechoslovak academy of Sciences, Prague 1953, in Czech

[2] ČERNÝ V., OBLONSKÝ J.: Machine for computation of crystal structures. IPM*, vol. 3 (1955), pp. 31-48, in Czech.

[3] ČERNÝ V., MAREK J. M., OBLONSKÝ J.: The Czechoslovak Automatic Computer SAPO. IPM*, vol. 10 (1954) pp. 11-92, in Czech.

[4] KLAPKA J.: Assembler for Czechoslovak E1b Automatic Computer. IPM*, vol. 10 (1964) pp. 219-230, in English.

[5] OBLONSKÝ J., SVOBODA A.: Logical design of a data-processing system with built-in time sharing. IPM*, vol. 9 (1963) pp. 15-24, in English.

[6] SVOBODA A., VALACH M.: Decimal arithmetic unit. IPM*, vol. 8, (1962) pp. 11-46, in English.

[7] KLÍR J.: A note on Svoboda''s algorithm for division, IPM*, vol. 9 (1963), pp. 35-39, in English

[8] ŠKARDA J.: MEDA - a small electronic differential analyser. IPM*, vol. 5 (1957) pp. 185-198, in Czech.

[9] KRYZÁNEK V.: A large Scale analog computer with digital control and measurement. IPM*, vol. 19 (1963) pp. 199-227, in German.

[10] ŠÍP E.: Difierential Analyser EMDA. IPM*, vol. 8 (1962) pp. 209-215, in German.

[11] POKORNÝ Z., SEDMIDUBSKÝ Z.: Instrument for the solution of the transportation problem. IPM*, vol. 6 (1958) pp. 239-248, in Czech.

[12] SVOBODA A.: The construction of a linear analyser in Czechoslovakia. Czechoslovak Joumal of Physics, vol. 1 (1952) pp. 10-18, in Czech.

[13] SVOBODA A.: The Synthesis of relay networks. IPM*, vol. 2 (1954) pp. 157-208, in Czech.

[14] KUČERA A.: To the problem of modelling logical functions by a physical three-pole network. IPM*, vol. 10 (1964) pp. 45-62, in Russian.

[15] SVOBODA A.: Some applications of contact grids. Automatika i telemechanika, vol. 22 (1961) No. 8, pp. 1061-1070, in Russian.

[16] SVOBODA A.: Synthesis of logical systems of given activity. Trans. of IEEE, Vol. EC-12, December 1963

[17] KINDLER E.: EPOS ALGOL Compiler. IPM*, vol. 9 (1963) pp. 66-78, in English.

[18] JÚZA M.: Translation of For Statement by EPOS ALGOL Compiler. IPM*, vol. 9 (1963) pp. 99-106, in English.

[19] KORVASOVÁ K.: Program of mechanical syntactic analysis of the source language. IPM*, vol. 10 (1964) pp. 221-239, in English.

[20] VLČEK J. OUTRATA E.: The essential characteristic of a Data-Processing Automatic Programming. IPM*, vol. 10 (1964) pp. 191-198, in English.

[21] SEDLÁK J.: Translation of conditional expressions and conditional statements by EPOS ALGOL Compiler. IPM*, vol. 9 (1963) pp. 91-98, in English.

[22] KLAPKA J.: Program pro výpočet vstupních údajů pro numerický lineární interpolátor při obrábění strojírenských součástí, jejichž obrys se skládá z úseček a kruhových oblouků. Zbrojovka Brno, Výzkum a vývoj matematických strojů. 1963

[23] KLAPKA J., HANZL M.: Soustava programů pro počítač E1b. Zbrojovka Brno, Výzkum a vývoj matematických strojů. 1963

 

* Information Processing Machines, NČSAV, Praha. Edited by M. Hampl and George J. Klir.

 

Résumé

In this paper a review is given of the history of the origin of the research of mathematical machines in Czech republic. This development reveals some particularities in comparison with development in other countries. This development has brought about some results, at first sight somewhat heterogeneous, which, however, reveal a certain unity of the "Czechoslovak school" in the Branch of Automatic Information Processing.

 

Jindřich Klapka, Doc. RNDr., CSc.

 

Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické V Brně

Technická 2, 616 69 Brno

e-mail: klapka@fme.vutbr.cz

 

Tato práce byla provedena jako součást Grantového projektu GAČR, reg. č. 103/05/0292 „Optimalizace navrhování progresivních betonových konstrukcí“

Přílohy

Obr. 1 : Celkový pohled na počítač E1b

Obr. 2 : Ovládací panel počítače E1b

Obr. 3 : Operační jednotka E1b

Obr. 4 : Paměťová jednotka E1b s bubnobou pamětí