Průkopníci informačního věku (13.) Jay W. Forrester

Víte, co umožnilo sestrojit první počítač, který byl schopen pracovat v reálném čase a jaká k němu vedla cesta? Zavítejte s námi do historie!

Díky magnetické jádrové paměti, kterou pomohl vyvinout, zkonstruoval první počítač, který byl schopný pracovat v reálném čase. Na této koncepci krátce nato byly založeny počítače, které umožnily realizovat americký pozemní obranný systém SAGE (Semi-Automatic Ground Environment), který pomocí počítačů koordinoval přenos dat mezi velkým množství radarů a obrannými zbraňovými systémy. Jako tvůrce systémové dynamiky vytvořil Forrester nový způsob analýzy a práce komplexních jevů, k čemuž jako první využil možnosti, kterou nabízí počítačová simulace.

S narůstajícím výkonem počítačů se od poloviny čtyřicátých let hledaly nové způsoby ukládání informací. Zatímco první moderní počítače pracovaly s pouhými děrnými štítky (či jejich obdobou v podobě děrných pásek), s nástupem elektroniky byly zprvu využívány elektrostatické paměťové elektronky. Ty však jednak nebyly příliš spolehlivé, jednak jako paměťové médium nepřinášely výraznou možnost využití. Proto řada vědců hledala nová řešení, která by mohla zaručit jak spolehlivé uložení většího množství dat, tak i možnost rychlé a efektivní práce s nimi. Průlom přineslo využívání elektromagnetických pamětí. Ačkoli princip elektromagnetického záznamu dat byl znám od konce 19. století, jeho využití v počítačích začalo až na přelomu čtyřicátých a padesátých let. Jedním z průkopníků, jenž učinil obzvláště výrazný pokrok na tomto poli, byl americký elektrický inženýr Jay Wright Forrester.

Mládí Jay W. Forrestera

Narodil se roku 1918 na osamělém ranči v srdci Nebrasky, který vlastnili jeho rodiče. Zde také prožil dětství, mezi stády krav a často na hřbetě koně společně s ostatními honáky. Škola, kterou navštěvoval, byla jednotřídka, kde se učily číst a počítat děti z okolních rančů. Třebaže mladému Jayovi kovbojský život vyhovoval, zároveň ho fascinovala technika – od dětství projevoval nevšední zájem o mechanické a zvláště elektrické stroje. Snažil se vždy pochopit, jak fungují, a brzy se je naučil opravovat, což jej odlišovalo od ostatních chlapců z rančů. Když mu bylo patnáct, sestrojil ze součástek z několika automobilových vraků malý elektrický generátor poháněný větrem, pomocí něhož mohl osvětlit prostor ve stájích – byl to první zdroj elektrické energie na ranči.

Nadaný chlapec mezi svými vrstevníky vynikal, a protože byl synem velkochovatele dobytka, bylo nabíledni, že půjde studovat na zemědělskou fakultu. V době, kdy už byl přijat, se však Jay rozhodl pro obor, který ho opravdu zajímal, a zařídil si přestup na elektrotechnickou fakultu. Rodiče proti tomu nic nenamítali, a že to bylo správné rozhodnutí, se ukázalo už v následujících letech, kdy se stal nejlepším studentem ročníku. Děkan elektrotechniky se zasadil, aby mohl pokračovat ve studiu na nejprestižnější technické škole, na Massachusettském technologickém institutu v Cambridgi.

Tak se stalo, že se kovbojský syn z Nebrasky v roce 1939 ocitl na MIT, kde v té době přednášely osobnosti, jako byli např. Vannevar Bush, Norbert Wiener či Gordon Brown. K jeho studentským kolegům patřili např. Claude Shannon (autor teorie komunikace) či William Shockley (člen týmu, který vynalezl tranzistor). Jay Forrester obstál i ve zdejší silné konkurenci a záhy se stal studentským asistentem v takzvané Servo Laboratory, kde se seznámil jak s principem a konstrukcí analogového počítače, tak i s nejnovějšími elektronickými přístroji, které zde byly vyvíjeny.

Jak uchovat data

Když Spojené státy vstoupily do války, stal se mladý Jay Forrester členem týmu, který pod vedením Gordona Browna navrhoval servomechanizmy pro radarové antény a základny děl. V roce 1944 se nadto zapojil do práce na analogovém počítači označovaném jako ASCA (Aircraft Stability and Control Analyzer), jehož úkolem měla být simulace chování letadla v reálném čase, a to v závislosti jak na příkazech pilota, tak na vnějších okolnostech. Tento úkol přinesl vědcům množství technických problémů souvisejících s omezenými možnostmi analogového počítače (u něhož lze namísto složitějšího naprogramování hovořit spíše o „vyladění“). Ještě závažnější nesnáz vyplývala ze skutečnosti, že tehdejší elektromechanický diferenciální analyzátor, byť se s úspěchem využíval např. v zaměřovačích, nebyl zdaleka tak výkonný, aby mohl umožnit simulaci složitějších procesů v reálném čase.

To byl také důvod, proč se Forrester začal zabývat činností vědců, kteří v té době pracovali na konstrukci prvního elektronkového počítače ENIAC. Při tom se seznámil i s teoretickými koncepcemi, jež v té době publikovali John von Neumann a Norbet Wiener. Když po válce byly zpřístupněny podrobnosti o elektronkovém počítači, došlo mu, že právě tento výkonný programovatelný stroj by byl ideálním řešením pro vytváření modelů a simulací složitých systémů.

Navzdory konci války si vedení amerického námořnictva přálo, aby byl simulátor dokončen. Forrester, který v roce 1946 získal vědecký titul (a krátce nato se oženil), přesvědčil svého bývalého školitele Gordona Browna, že je nutné opustit plán založený na diferenciálním analyzéru a začít práci na leteckém simulátoru od nuly, a to na principu programovatelného digitálního počítače. Brown mu dal za pravdu a díky finančním prostředkům amerického námořnictva se Forrester stal šéfem nové divize na fakultě elektrického inženýrství MIT, nazvané Digital Computer Laboratory.

Ale ani nově nastoupená cesta k simulátoru vytvořenému pomocí elektronkového počítače nebyla bez potíží. Naopak. Pro Forrestera představovala myriádu problémů, které bylo nutno vyřešit. Potíž byla především v tom, že ENIAC i jeho nástupce EDVAC byly v podstatě sekvenční stroje. To znamená, že řešily jednu úlohu za druhou, přičemž každá z těchto úloh si žádala zvláštní nastavení, „předrátování“, jak se v hantýrce operátorů těchto raných počítačů říkávalo. Naproti tomu simulace složitého jevu v reálném čase, jako bylo chování letadla za letu, si vyžadovala množství výpočtů s řadou proměnných, které bylo nutno provést současně v jednom a tomtéž okamžiku. Aby to bylo proveditelné, navrhl John Forrester společně se svým asistentem Robertem Everestem počítač Whirlwind, v němž bylo paralelně zapojeno několik výpočetních jednotek, přičemž každá řešila v daném okamžiku jednu specifickou úlohu související se simulací.

Ústředním problémem byla i nespolehlivost elektronek, která dělala vrásky již Johnu Mauchlymu a Presperu Eckertovi, když pracovali na ENIAC. Jestliže vadná elektronka v ENIAC znamenala přerušení výpočtu, v případě Whirlwindu šlo o krach celé simulace. Je třeba si uvědomit, že elektronky nebyly v prvních digitálních počítačích pouze součástí výpočetních jednotek, ale i paměťových modulů. Forrester strávil mnoho času nad tím, aby problém spolehlivosti ukládání dat do počítačové paměti vyřešil. Nejprve se mu povedlo najít způsob, díky němuž se mu podařilo prodloužit život elektronek, posléze zkoušel paměťový modul zkonstruovat pomocí spolehlivějších součástek, než byly elektronky.

Při experimentech s katodovými trubicemi, na jejichž principu byly založeny i obrazovky televizorů, vyvinul dvoudimenziální paměťový systém (označovaný jako MIT Storage Tubes), ale ani to nebylo uspokojující řešení. Pak jednoho dne na konci roku 1949 spatřil v jakémsi technickém časopise reklamu na materiál deltamax, využívaný pro jádra magnetických zesilovačů. V tom okamžiku jej napadlo, zda by pro ukládání dat namísto elektrických spínačů nebylo vhodnější využít principu magnetické hystereze.

Díky tomuto principu si magnetický materiál „pamatuje“ intenzitu magnetického pole i poté, co na něj toto pole přestalo působit, protože se změní prostorová orientace magnetických dipólů materiálu. Technologické aplikace byly známy už v první polovině třicátých let, ale v počítačích se začaly uplatňovat až o dvacet let později. K výhodám paměti založené na magnetické hysterezi patřily jak velká kapacita a možnost rychlého přístupu ke kterémukoli paměťovému záznamu, tak i fakt, že data zůstala uchována i při výpadku proudu.

Inzerovaný deltamax se sice ukázal jako nepoužitelný, ale Forrester brzy našel vhodný materiál, jímž bylo krystalicky čisté železo bez příměsi uhlíku. Na bázi feritu sestavil společně se svými spolupracovníky prstencová jádra, která uspořádal do tvaru matice, aby bylo možné dosáhnout rychlého záznamu i vyvolání dat. Tak se na počátku padesátých let zrodil nový druh matricové počítačové paměti, která se označuje jako magnetická (feritová) jádrová paměť. K jejím přednostem patřily spolehlivost a rychlost, nevýhodou byla vysoká pořizovací cena (což později vedlo k hledání dostupnější alternativy, kterou se stal magnetický disk).

Priorita národní obrany

Konstrukce počítače Whirlwind byla zpočátku na okraji zájmu. Ze strany vedení amerického námořnictva, které projekt financovalo, jí dokonce hrozilo zastavení, neboť kompetentní orgány vedení námořnictva nebyly v roce 1948 spokojeny s výsledky (do této doby spadá právě tápání, jaké technologie využít pro vhodný paměťový modul). Následující rok se však vše změnilo. Příčinou bylo šokující zjištění, že Sovětský svaz úspěšně provedl zkoušku atomové bomby.

Studená válka, jejíž počátek se datuje již do prvních poválečných let, se tímto zjištěním nečekaně vyostřila. Opatření, jež mělo Spojeným státům znovu získat silovou převahu, spočívalo ve zvýšeném úsilí při vývoji jaderných zbraní (vodíkové bomby) a jejich operabilnějších nosičů (raketových střel a ponorek). Prioritou národní obrany bylo také nalézt způsob, jak co nejlépe identifikovat pohyb nepřátelských bombardérů, které na svých palubách mohly nést atomové bomby. Aby to bylo možné, bylo třeba vyvinout systém schopný pomocí radarů nepřetržitě monitorovat rozsáhlý vzdušný prostor.

I když základní koncepci tohoto obranného systému, který získal označení SAGE (Semi-Automatic Ground Environment) vytvořil George E. Valley, profesor fyziky na MIT, bylo to možné jen díky tomu, že znal Forresterův počítač Whirlwind, tedy výpočetní stroj schopný pracovat v reálném čase. Vedení vzdušných sil americké armády tuto koncepci akceptovalo, ale než odsouhlasilo realizaci systému, vyžádalo si jeho vyzkoušení v menším měřítku. To se pod názvem Projekt Charles uskutečnilo na poloostrově Cape Cod, kde bylo poprvé demonstrováno zobrazování dat na počítači Whirlwind, získaných z několika radarových stanic. Protože výsledek vedení armády plně uspokojil, projekt SAGE dostal zelenou.

Vývoj systému SAGE je označován za počítačovou obdobu „Projektu Manhattan“, neboť stejně jako vývoj prvních atomových bomb jej provázelo nejpřísnější utajení. Celkové náklady sice nejsou známy, ale hovoří se o 200 miliardách dolarů (což znamená, že jde o ještě vyšší sumu, než si vyžádala právě konstrukce prvních atomových bomb). Jay Forrester byl díky svým zkušenostem jmenován projektovým ředitelem a s jeho jménem je spjata první fáze vývoje tohoto obranného systému, především práce na počítači označovaném Whirlwind II. Jednalo se o jeden z nejvýkonnějších a největších počítačů své doby. Ale třebaže Forresterův tým vypracoval návrh tohoto stroje, vedení vzdušných sil americké armády, které projekt financovaly a koordinovaly, se rozhodlo, že konstrukci dvaapadesáti počítačů tohoto typu zadá renomované počítačové firmě. Nakonec byla, nikoli překvapivě, vybrána společnost IBM.

SAGE byl spuštěn v roce 1963. Propojil na stovku radarů do jedné integrované sítě, díky níž byl po celé dvacetiletí nepřetržitě kontrolován vzdušný prostor. Před svým spuštěním prošel systém náročnou fází testování, při němž se prokázalo, že je schopen odhalit jakékoli neznámé letadlo, které se přiblíží ke Spojeným státům (a části Kanady). Systém se skládal jednak ze třiadvaceti řídicích center rozesetých po celém území Spojených států, které byly propojeny telefonní linkou, jednak ze tří bojových center, v nichž byla soustředěna letecká a raketová obranná technika schopná okamžitě reagovat na případnou poplašnou zprávu z kteréhokoli ze zmíněných třiadvaceti stanovišť.

Pokračování článku spolu s videem naleznete na sesterském magazínu CIO Business World.