NASTANEK ZNANSTVENIH RAČUNALNIH LABORATORIJ:

Original: http://www.columbia.edu/cu/computinghistory/krawitz/index.html

 

Center za znanstvene raziskave
Raziskave z računskimi stroji

Gospa Eleanor Krawitz
Tablični nadzornik
Watson znanstveni računalniški laboratorij

Columbia Inženiring četrtletno, november 1949

V zadnjih letih so bili na vseh področjih znanstvenih raziskav doseženi veliki koraki, glavni dejavnik tega napredka pa je bila obsežna uporaba računalniških metod in opreme. Danes se izračuni samodejno izvajajo v laboratorijih po vsej državi. Razvoj teh računalniških laboratorijev je še posebej zanimiv za študente iz Kolumbije, saj so bili prvi na tem mestu ustanovljeni na univerzi. Statistični urad Columbia University je bil ustanovljen v poznih dvajsetih letih za uporabo vzgojiteljev in statistikov. Astronomski urad, ki ga je leta 1934 ustanovil dr. WJ Eckert, ki ga je skupaj vodil Columbia University, Ameriško astronomsko društvo in Corporation International Machines Machines, je delovala kot neprofitna organizacija, v kateri bi astronomi iz vsega sveta prišli do izvedli so izračune. Leta 1945 je IBM ustanovil oddelek za čisto znanost, imenoval dr. Eckerta za svojega direktorja in ustanovil Watsona Znanstveni Računalniški laboratorij na univerzitetnem kampusu.

Glavni namen laboratorija Watson je raziskovanje v različnih vejah znanosti, zlasti tistih, ki vključujejo uporabno matematiko in numerični izračun. Storitve laboratorija so brezplačno ponujene znanstvenikom ali diplomantom, ki se ukvarjajo z raziskavami, kar pomembno prispeva k napredku na področju znanosti in uporablja računalnike za dosego tega cilja. Vsako leto se dve študiji Watson Laboratorij za uporabno matematiko dodeljujejo študentom, katerih študij ali raziskave vključujejo obsežne izračune. Člani osebja nudijo izobraževalne programe na svojem področju, ki so pod okriljem različnih oddelkov univerze. Tečaji za diplomante vključujejo delovanje in uporabo strojev ter numerične metode; akademski kredit za tečaje se lahko pridobi z registracijo pri Univerzi na običajen način. Posebni oddelki v delovanju strojev so v rednih časovnih presledkih namenjeni strokovnim osebam, gostujočim znanstvenikom iz vsega sveta in diplomantom, ki delajo za doktorat. Dodatna funkcija laboratorija Watson je razširjanje tehničnih informacij o matematičnih strojnih metodah in matematičnih tabelah; na voljo je obsežna knjižnica, ki zajema te predmete.

Raziskave so uspešno zaključili na številnih področjih znanosti v laboratoriju s strani osebja in gostujočih znanstvenikov. Spodaj je delni seznam projektov, dokončanih ali v teku:

  • Astronomija: integracija orbit planetov in asteroidov,
  • Geofizika: sledenje poti zvočnih valov pod vodo za različne globine in smeri,
  • Optika: izračuni, ki vključujejo metodo sledenja žarkom,
  • Kemija: računanje kvantno-mehanskih resonančnih energij aromatskih spojin,
  • Inženiring: izdelava tabele pomladi in gonila ter izračuna računskih napetosti, povezanih s potresnimi obremenitvami,
  • Ekonomika: ocene nekaterih koeficientov v enačbah ekonomskih modelov, z uporabo množenja matrik in inverzije,
  • Fizika: izračuni prehodnih verjetnosti kalcija,
  • Kristalografija: ocena Fourierove transformacije za strukturo insulina.

Laboratorij vzdržuje široko paleto digitalnih in analognih naprav; digitalni stroj je tisti, ki v bistvu šteje, analogni stroj pa fizične meritve. Ti kalkulatorji so namenjeni reševanju problemov na najbolj ustrezen način in primerjanju različnih metod rešitve, da se določi najučinkovitejša.

Večina strojev bere in piše z uporabo pikčaste kartice, ki samodejno posreduje podatke. Kartice se tako lahko obdelajo prek katere koli vrste kalkulatorjev in imajo na njih želeno zaporedje operacij. Glavna prednost tehnike pikčaste kartice je, da se lahko v številnih podobnih operacijah izvedejo količine. Po iztiskanju začetnih vrednosti na karticah je postopek stroja samodejen. Štancanje lahko poteka v katerikoli od osemdeset stolpcev kartice. Vsak stolpec je razdeljen na dvanajst ločenih položajev, ki predstavljajo cela števila od 0 do 9, kot tudi dve posebni položaji za izsekavanje, imenovani X in Y. X punch se uporablja predvsem za označevanje posebne operacije ali negativnega števila. Pisma abecede se zabeležita z dvema udarci v stolpcu, kombinacijo X, Y ali 0, s katerim koli od celih od 1 do 9 (glej sliko 1).

Tabulating card

Slika 1. Tabulatorska kartica, ki prikazuje 12 položajev in kombinacije udarcev, ki označuje črke.

Na vseh strojih je načelo branja kartice enako. Luknje so udarjene v kartice in berljive s pomočjo električnih kontaktov, ki jih skozi luknje. Kartica, ki deluje kot izolator, prehaja med žično krtačo in medeninastim valjem (glej sliko 2).

Luknjica na kartici omogoča, da se čopič in valj stikajo, s čimer zaključijo električno vezje; električni impulz je na voljo na pletni upravljalni plošči in čas impulza je določen s položajem luknje na kartici. Vse funkcije stroja so odvisne od smeri teh impulzov na nadzorni plošči, zaradi fleksibilnosti te plošče pa se lahko izvaja veliko število operacij. Velik odstotek težav pri numeričnem izračunu se lahko učinkovito obravnava na standardnih IBM-ovih strojih. Prvi korak pri pristopu k tem problemom je prevedba izvirnih podatkov v jezik kalkulatorjev. To pomeni, da ga posnamete v obliki lukenj na standardnih karticah. To je funkcija ključa Punch. Želene informacije se prepisujejo na kartico tako, da pritisnete tipke na napravi v skladu z ustreznim stolpcem. Te kartice se lahko vnesejo v tipko Punch ročno ali samodejno. Ker je vsak stolpec udarjen, se kartica samodejno samodejno premakne na naslednjo prebojevalno ploščo. Številčni udarci imajo štirinajst ključev; eno za vsako od dvanajstih pozicij za izsekavanje, vesoljski ključ in ključ za izmet kartice. Abecedni udarci imajo poleg tega tipkovnico s tipkovnico, ki samodejno izbriše dve luknji na stolpec. Potem ko so bili kodirani s ključem Punch, so kartice pripravljene za prehod skozi katerikoli drugi stroj, potreben za rešitev problema.

Sorter and Accounting Machine

Sorter se uporablja za razporejanje črtkanih kartic v poljubnem želenem numeričnem ali abecednem vrstnem redu glede na podatke o njih. Kartice, ki jih je treba sortirati, se napajajo iz lijaka v eno samo krtačo, ki bere izbrani stolpec in sortira vsako kartico v ustrezen trinajst razpoložljivih žepov. Za vsakega od dvanajstih mest za štancanje je žep in en za prazne stolpce. Po zaporednih sortah so karte urejene v poljubnem vrstnem redu. Stroj, ki deluje s hitrostjo 450 kartic na minuto, je opremljen s števcem, ki zapisuje število kartic, ki potekajo.

Abecedni tolmač je oblikovan tako, da številčne ali abecedne podatke na kartici pretvori v natisnjene številke na eni od dveh vrstic na vrhu kartice. Tako je luknjana kartica lažje berljiva in jo je mogoče uporabiti kot kartoteko kot tudi v strojih.

Računovodski stroj je stroj za dodajanje in tiskanje z visoko hitrostjo. Bere podatke s kartice, jih doda in odšteje v števce ter natisne podatke o papirju iz kartic ali vsote iz števcev. Stroj navaja abecedne ali numerične podatke s hitrostjo osemdeset kartic na minuto ali zbere kar osemdeset številk vsote s 150 kartami na minuto.

Reprodukcija Punch prepisuje vse podatke ali katerikoli del podatkov, ki jih na eni vrsti kartic prehajajo na drug niz, ali kopira podatke z ene glavne kartice na skupino kartic s podrobnostmi. Punch ima primerjalno enoto, ki primerja oba nabora podatkov in označuje vsako nesoglasje med obema. Naprava je lahko prilagojena za uporabo kot povzetek Punch za snemanje na novih kartičnih zneskih, ki so bili zbrani v računalniškem računalniku.

Collator izvede nekatere funkcije sornika na bolj učinkovit način. Vnaša dve skupini kart skupaj, izbere določene kartice v katerem koli od štirih žepov za izbiro, ujema z dvema nizoma kartic glede na kontrolno številko in preveri zaporedje nabora kart. Stroj je zelo prilagodljiv in omogoča ravnanje s karticami po zapletenem vzorcu, ki vključuje primerjavo dveh kontrolnih številk. Kartice lahko prehajajo skozi Collator s hitrostjo 240 do 480 minut.

Calculating punches

Elektronika Izračun Punch je hitri stroj, ki uporablja elektronska vezja za opravljanje vseh osnovnih operacij. Dodaja, odšteje, pomnoži in deli številke, ki jih vnašajo na kartico, in prebere odgovore na isti kartici ali pozneje. Te operacije izvaja ponavljajoče in v poljubnem vrstnem redu v delčku sekunde. Izračunajoč Punch bere faktorje, ki jih je udaril na kartico, in opravlja dodatke, odštevanja, množenja in delitve, v poljubnem vrstnem redu. Za vsako vrsto izračuna se lahko loćijo loćeni rezultati, rezultati pa se lahko shranijo in uporabijo kot faktor za naslednje izraćune. Ta stroj je izračunal osem razlike v višini enajstih mestne funkcije in veliko zapletenih enačb, ki vključujejo veliko število operacij.

Poleg standardnih strojev, opisanih zgoraj, v laboratoriju obstajajo številni posebej izdelani kalkulatorji, ki delujejo prek relejnih omrežij in elektronskih vezij. Spodaj je kratek opis teh posebnih strojev.

Relej Kalkulator izvaja vse osnovne aritmetične operacije, vključno z določitvijo kvadratnih korenin prek zapletenega relejnega omrežja. Ekstremna fleksibilnost tega kalkulatorja je zaradi velikega notranjega pomnilnika, njene hitrosti pri izračunih, zmožnosti hkratnega branja štirih kart in pete pete ter njegove zmogljivosti za delovanje v obsežnem in raznolikem programu. Stroj je opremljen s kolesnim krogom, ki olajša pregledovanje mize. Veliko številnih zapletenih problemov je bilo rešenih na relay kalkulatorju, vključno z množenjem harmonskih serij, množenje matrik in diferencialnih enačb šestega reda.

Kalkulator, ki se upravlja s kartico sestavlja računalniška naprava, ki bere, doda, odšteje in shrani podatke, povzetek Punch, ki preseže končne vrednosti, polje releja, ki zagotavlja prožnost nadzora nad operacijami, in enoto, ki izvaja množitve in delitve. Delovanje drugih kalkulatorjev je običajno programirano preko ožičenja na nadzorni plošči, medtem ko ima ta naprava v bistvu eno osnovno nadzorno ploščo, ki jo urejajo kodirane udarci v kartici. Ta kalkulator se je izkazal za posebej spreten na računalniških orbitih asteroidov.

Rešitev linearne enačbe je električna naprava za reševanje istočasnih linearnih enačb do vključno dvanajstega reda. Ko so koeficienti enačb nastavljeni na številčnicah, stikalah ali udarcih, so različne spremenljivke nastavljene, dokler ni dosežena rešitev. Metoda rešitve je tista, ki daje zelo hitro konvergenco. Ta stroj je v laboratoriju zgradil g. Robert M. Walker, član našega osebja, in profesor Francis J. Murray iz matematičnega oddelka Univerze.

Mehanizem za merjenje in snemanje s kartico je zasnovan predvsem za merjenje astronomskih fotografij, čeprav ga je mogoče zlahka uporabiti za fotografije na katerem koli področju. Fotografsko ploščo dela neba, ki vključuje zadevno zvezdo, se v stroj vstavi skupaj s pikčasto karto, ki kaže približne koordinate zvezdice. Stroj nato samodejno prebere izrezano karto, v teh približnih koordinatah locira zvezdo na fotografski plošči, natančno meri svoj položaj in zapisuje to meritev na kartici. Za matematično obdelavo je nato na voljo zapis s pikčasto kartico.

Od ustanovitve Astronomskega biroja leta 1934 je bilo v industriji in vladi ustanovljenih več rezultatov drugih laboratorijev za luknjanje. Ti laboratoriji, ki so delali v vojnih letih, so imeli ključno vlogo v našem nacionalnem obrambnem programu. V tej skupini so bili balistični raziskovalni laboratoriji v Aberdeenu, Marylandu in Dahlgrenu v Virginiji. V tej isti kategoriji je bil ameriški pomorski observatorij, ki je pripravil astronomske tabele za uporabo v zračni in pomorski plovbi, astronomiji in geodeziji. V industriji so računalniški laboratoriji prevzeli pomembno vlogo v čistih in uporabnih znanstvenih raziskavah. Na primer, pri reševanju problemov, ki se nanašajo na analizo stresa in deformacije letalskih konstrukcij in analizo vibracij velikih strojev, smo uporabili metode pikčastih kartic.

Ilustracija uporabe opreme za punch kartico v problemih industrije se pojavlja pri načrtovanju in izdelavi ladij, kjer je treba natančno določiti lokacije številnih točk na površini. Oblikovalec to lahko doseže z upoštevanjem različnih prečnih presekov skozi trup in predstavitvijo obrisa vsakega od teh delov s polinomom, recimo, peto stopnjo (glej sliko 3).

Slika 3. Prečni prerez skozi plovilo

Vrednosti konstant, a0, …, a5, v enačbi se bodo razlikovale z vsakim odvzetim odsekom zaradi ukrivljenosti površine v vzdolžni smeri. Če je plovilo razdeljeno na 200 prečnih prerezov, za vsako prečnega prereza pa je treba na vsaki strani trupa določiti 100 točk, bi bilo treba oceniti 20.000-krat. Uporaba opreme s punjenimi karticami v rešitvi tega problema pomeni izjemno težavno nalogo v račun, ki se po izvirnem načrtovanju avtomatsko izračuna po stroju.


Eleanor Krawitz

Gospa Eleanor Krawitz, ki ima razliko, da je prvi ženski avtor prispevala k COLUMBIA INŽENIRING ČETRTLETNO, se lahko pohvali s številnimi drugimi pomembnimi dosežki. Leta 1943 je diplomirala iz Brooklynove srednjeveške šole Samuel I. Tilden, kjer je bila članica šolske častne družbe “Arista”. Na Brooklyn Collegeu je bila blagajnik Pi Mu Epsilon, častna matematična družba, dokler ni prejela B.A. v matematiki leta 1947. Nato je delala kot nadomestna učiteljica v srednji šoli Midwood in v njenem Alma Materu, Tilden High, vendar je kmalu razveljavila srednjo šolo za poučevanje, da bi jo magistrirala v matematiki v Columbiji.

Danes je gospa Krawitz tabelarni nadzornik v I.B.M. Thomas J. Watson Computing Laboratory na Univerzi Columbia. Ne samo, da poučuje astronomske razrede na Graduate School o delovanju računalnikov, temveč se ukvarja tudi z določanjem postopkov za izračun problemov v fiziki, matematiki in astronomiji.


Prispeval: Eleanor Krawitz Kolchin, november 2003.
Skenirano in pretvorjeno v HTML: Sat Nov 22 17:06:54 2003
Tudi avtor:

  • Krawitz, Eleanor, “Matematične tabele s pikčastimi karticami na standardni IBM-ovi opremi”, Zbornik, Industrijski računski seminar, IBM, New York (sept. 1950), str. 52-56.
  • Krawitz, Eleanor, “Matrika z vektorsko množenje na IBM-ovem tipu 602-A računski punch”, Zbornik, Industrijski računski seminar, IBM, New York (sept. 1950), str.66.70
  • Green, Louis C., Nancy E. Weber in Eleanor Krawitz, “Uporaba izračunanih in opazovanih energij pri izračunu moči oscilatorja in astrofizičnega časopisa f-Sum Rule”, Vol.113 No.3 (maj 1951), str.690-696.

Povezave (posodobljeno 31. julija 2017):