هارفارد مارك 1

كان جهاز هارفارد مارك الأول ، أو آلة حاسبة IBM ذات التحكم التسلسلي التلقائي ( ASCC )، أحد أوائل أجهزة الكمبيوتر الكهروميكانيكية للأغراض العامة التي استخدمت في المجهود الحربي خلال الجزء الأخير من الحرب العالمية الثانية .

كان أحد أوائل البرامج التي شُغّلت على جهاز مارك 1 هو برنامج جون فون نيومان الذي بدأ تشغيله في 29 مارس 1944 ^{[ 1 ]} . في ذلك الوقت، كان فون نيومان يعمل على مشروع مانهاتن ، وكان بحاجة إلى تحديد ما إذا كان الانفجار الداخلي خيارًا مناسبًا لتفجير القنبلة الذرية التي ستُستخدم بعد عام. كما قام جهاز مارك 1 بحساب وطباعة الجداول الرياضية، وهو الهدف الأولي للمخترع البريطاني تشارلز باباج لمحركه التحليلي عام 1837.

بحسب إدموند بيركلي ، كان مشغلو مارك 1 يطلقون على الآلة غالبًا اسم "بيسي، محرك بيسل"، نسبة إلى وظائف بيسل . ^{[ 2 ]}

تم تفكيك جهاز مارك 1 عام 1959؛ حيث أُهدي جزء منه لشركة IBM، وذهب جزء آخر إلى مؤسسة سميثسونيان ، بينما انضم جزء ثالث إلى مجموعة هارفارد للأدوات العلمية التاريخية . ولعقود، عُرض الجزء المخصص لهارفارد في بهو مختبر أيكن للحوسبة. وفي عام 1997 تقريبًا، نُقل إلى مركز هارفارد للعلوم . وفي عام 2021، نُقل مرة أخرى إلى بهو مجمع العلوم والهندسة الجديد التابع لجامعة هارفارد في ألستون، ماساتشوستس . ^{[ 3 ]}

تعود أصول جهاز هارفارد مارك 1 إلى عام 1935، عندما راودت هوارد أيكن فكرة بناء آلة حاسبة قوية وواسعة النطاق أثناء دراسته العليا في الفيزياء بجامعة هارفارد . وقدّم أيكن اقتراحه لآلة حاسبة أوتوماتيكية إلى شركة آي بي إم في نوفمبر 1937. ^{[ 4 ] [ 5 ]} وكان الهدف من هذا التصميم حلّ مسائل رياضية معقدة. ^{[ 6 ]} وبعد دراسة جدوى أجراها مهندسو آي بي إم، وافق رئيس مجلس إدارة الشركة، توماس واتسون الأب، شخصيًا على المشروع وتمويله في فبراير 1939.

بدأ هوارد أيكن البحث عن شركة لتصميم وبناء حاسبته في أوائل عام 1937. بعد رفضين، ^{[ 7 ]} عُرض عليه نموذج تجريبي كان ابن تشارلز باباج قد أهداه لجامعة هارفارد قبل 70 عامًا. دفعه ذلك إلى دراسة باباج وإضافة إشارات إلى المحرك التحليلي إلى اقتراحه؛ وقد حققت الآلة الناتجة "مبادئ باباج للمحرك التحليلي بشكل شبه كامل، مع إضافة ميزات جديدة مهمة". ^{[ 8 ]}

في عام 1941، اضطر آيكن إلى تعليق المشروع مؤقتًا، حيث تم استدعاؤه للخدمة البحرية الفعلية في الحرب العالمية الثانية . ^{[ 6 ]} طُوّر نظام ASCC وبُني بواسطة شركة IBM في مصنعها في إنديكوت في أوائل عام 1943، وشُحن إلى جامعة هارفارد في فبراير 1944. ^{[ 5 ]} بدأ النظام إجراء الحسابات لصالح مكتب السفن التابع للبحرية الأمريكية في مايو، وقُدّم رسميًا إلى الجامعة في 7 أغسطس 1944. ^{[ 9 ]}

على الرغم من أنها لم تكن أول حاسوب عامل ، إلا أن هذه الآلة كانت الأولى التي قامت بأتمتة تنفيذ العمليات الحسابية المعقدة، مما جعلها خطوة مهمة إلى الأمام في مجال الحوسبة. ^{[ 10 ]}

بُنيَ نظام الحوسبة المتقدمة (ASCC) من مفاتيح ومرحلات وأعمدة دوارة وقوابض . استخدم 765,000 مكونًا كهروميكانيكيًا ومئات الأميال من الأسلاك، بحجم 816 قدمًا مكعبًا (23 مترًا ^مكعبًا ) - بطول 51 قدمًا (16 مترًا) ، وارتفاع 8 أقدام (2.4 متر) ، وعمق قدمين (0.61 متر) . بلغ وزنه حوالي 9,445 رطلًا (4.7 طن قصير؛ 4.3 طن متري) . ^{[ 11 ]} كان لا بد من مزامنة وحدات الحساب الأساسية وتزويدها بالطاقة ميكانيكيًا، لذا تم تشغيلها بواسطة عمود إدارة بطول 50 قدمًا (15 مترًا) موصول بمحرك كهربائي بقدرة 5 أحصنة (3.7 كيلوواط) ، والذي كان بمثابة مصدر الطاقة الرئيسي وساعة النظام . من أرشيفات IBM:       

كانت الآلة الحاسبة ذات التحكم التسلسلي التلقائي (هارفارد مارك 1) أول آلة عاملة قادرة على تنفيذ عمليات حسابية طويلة تلقائيًا. وقد صممها الدكتور هوارد أيكن من جامعة هارفارد، وقام مهندسو شركة IBM ببنائها في إنديكوت، نيويورك. احتوت الآلة الحاسبة على هيكل فولاذي بطول 51 قدمًا وارتفاع 8 أقدام، وتألفت من لوحة متشابكة من تروس صغيرة وعدادات ومفاتيح ودوائر تحكم، لا يتجاوز عمقها بضع بوصات. استخدمت الآلة الحاسبة ذات التحكم التسلسلي التلقائي 800 كيلومتر (500 ميل) من الأسلاك بثلاثة ملايين وصلة، و3500 مرحل متعدد الأقطاب بـ 35000 نقطة اتصال، و2225 عدادًا، و1464 مفتاحًا عشري الأقطاب، و72 مجموعة من 72 آلة جمع، تحتوي كل منها على 23 رقمًا معنويًا. كانت أكبر آلة حاسبة كهروميكانيكية في ذلك الوقت. ^{[ 12 ]} 

صُمم غلاف جهاز مارك 1 على يد المصمم الصناعي الأمريكي نورمان بيل جيديس، الذي ركز على التصميم المستقبلي، على نفقة شركة آي بي إم. وقد انزعج آيكن من عدم استخدام التكلفة (50,000 دولار أو أكثر، وفقًا لغريس هوبر ) في بناء معدات حاسوبية إضافية. ^{[ 13 ]}

كان لدى جهاز Mark I ستون مجموعة من 24 مفتاحًا لإدخال البيانات يدويًا، وكان بإمكانه تخزين 72 رقمًا، كل منها مكون من 23 خانة عشرية. ^{[ 14 ]} وكان بإمكانه إجراء 3 عمليات جمع أو طرح في الثانية الواحدة. استغرقت عملية الضرب 6 ثوانٍ، والقسمة 15.3 ثانية، بينما استغرقت عملية حساب اللوغاريتم أو الدوال المثلثية أكثر من دقيقة. ^{[ 15 ]}

كان جهاز مارك 1 يقرأ تعليماته من شريط ورقي مثقوب ذي 24 قناة . كان ينفذ التعليمات الحالية ثم يقرأ التعليمات التالية. يمكن أن يحتوي شريط منفصل على أرقام للإدخال، لكن تنسيقات الأشرطة لم تكن قابلة للتبديل. لم يكن بالإمكان تنفيذ التعليمات من سجلات التخزين. ولأن التعليمات لم تكن تُخزن في الذاكرة العاملة، يُزعم على نطاق واسع أن جهاز هارفارد مارك 1 كان أصل بنية هارفارد . ومع ذلك، يُعارض هذا الادعاء في مقال "أسطورة بنية هارفارد" المنشور في حوليات IEEE لتاريخ الحوسبة ^{[ 16 ]} ، والذي يُبين أن مصطلح "بنية هارفارد" لم يُستخدم إلا في سبعينيات القرن العشرين (في سياق المتحكمات الدقيقة)، ولم يُطبق إلا لاحقًا على أجهزة هارفارد، وأن المصطلح كان يُطبق فقط على جهازي مارك 3 و 4 ، وليس على جهازي مارك 1 أو 2 .

كانت آلية التسلسل الرئيسية أحادية الاتجاه، مما يعني أن البرامج المعقدة كانت تتطلب طولًا فعليًا. وكانت حلقة البرنامج تُنفذ إما بفك الحلقة أو بوصل نهاية الشريط الورقي الذي يحتوي على البرنامج ببدايته (مما يُنشئ حلقة فعلية). في البداية، كان التفرع الشرطي في جهاز مارك 1 يُنفذ يدويًا. ثم أُدخلت تعديلات لاحقة في عام 1946 تُتيح التفرع التلقائي للبرنامج (عن طريق استدعاء روتين فرعي ). ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} وكان أول مبرمجي جهاز مارك  1 هم رواد الحوسبة ريتشارد ميلتون بلوخ ، وروبرت كامبل، وغريس هوبر . ^{[ 22 ]} كما كان هناك فريق تقني صغير مُكلف بتشغيل الجهاز؛ وكان بعض أعضائه موظفين في شركة IBM قبل انضمامهم إلى البحرية للعمل على الجهاز. ^{[ 23 ]} ولم يُطلع هذا الفريق التقني على الغرض العام من عملهم أثناء وجودهم في جامعة هارفارد.

• 
  تُستخدم أداة ثقب البطاقات لإعداد البرامج
• 
  شريط برمجة يحتوي على رقع برمجة مرئية
• 
  مفاتيح دوارة تُستخدم لإدخال ثوابت بيانات البرنامج
• 
  مؤشرات ومفاتيح التسلسل
• 
  منظر خلفي لقسم الحوسبة

قُسّمت قنوات شريط الإدخال البالغ عددها 24 قناة إلى ثلاثة حقول، كل حقل منها يحتوي على ثماني قنوات. وتم تخصيص رقم تعريف فريد لكل موقع تخزين، ولكل مجموعة مفاتيح، وللسجلات المرتبطة بوحدات الإدخال والإخراج والحساب. مُثّلت هذه الأرقام بالنظام الثنائي على شريط التحكم . كان الحقل الأول هو الفهرس الثنائي لنتيجة العملية، والثاني هو بيانات المصدر للعملية، أما الحقل الثالث فكان رمزًا للعملية المراد تنفيذها. ^{[ 14 ]}

في عام 1928، كان إل جيه كومري أول من وظّف معدات البطاقات المثقبة من شركة آي بي إم في المجال العلمي: حساب الجداول الفلكية باستخدام طريقة الفروق المحدودة، كما تصورها باباج قبل مئة عام لمحرك الفروق الخاص به. ^{[ 24 ]} بعد ذلك بوقت قصير، بدأت آي بي إم بتعديل جداولها لتسهيل هذا النوع من الحسابات. وكان من بين هذه الجداول، الذي صُنع عام 1931، جدول الفروق الكولومبي. ^{[ 25 ]}

كان لدى جون فون نيومان فريق في لوس ألاموس استخدم "آلات بطاقات مثقبة معدلة من شركة IBM" ^{[ 26 ]} لتحديد آثار الانفجار الداخلي. في مارس 1944، اقترح إجراء بعض العمليات المتعلقة بالانفجار الداخلي على القنبلة الذرية مارك 1، ووصل إلى جامعة هارفارد برفقة اثنين من علماء الرياضيات لكتابة برنامج محاكاة لدراسة الانفجار الداخلي لأول قنبلة ذرية . ^{[ 1 ]}

أنجز فريق لوس ألاموس عمله في وقت أقصر بكثير من فريق كامبريدج. مع ذلك، كانت آلة البطاقات المثقبة تحسب القيم حتى ستة منازل عشرية، بينما كانت آلة مارك 1 تحسب القيم حتى ثمانية عشر منزلة عشرية. إضافةً إلى ذلك، قامت مارك 1 بتكامل المعادلة التفاضلية الجزئية بفواصل زمنية أصغر بكثير [أو شبكة أصغر]، وبالتالي حققت دقة أعلى بكثير. ^{[ 26 ]}

انضم فون نيومان إلى مشروع مانهاتن في عام 1943، وعمل على العدد الهائل من الحسابات اللازمة لبناء القنبلة الذرية. وقد أظهر أن تصميم الانفجار الداخلي، الذي سيستخدم لاحقًا في قنبلتي ترينيتي وفات مان ، كان على الأرجح أسرع وأكثر كفاءة من تصميم المدفع. ^{[ 27 ]}

أصدر آيكن بيانًا صحفيًا أعلن فيه عن جهاز مارك 1، مُدرجًا نفسه كمخترعه الوحيد. وكان جيمس دبليو برايس هو الشخص الوحيد من شركة آي بي إم الذي ذُكر اسمه، على الرغم من أن العديد من مهندسي الشركة، بمن فيهم كلير ليك وفرانك هاميلتون، قد ساهموا في بناء عناصر مختلفة منه. وقد أثار هذا الأمر غضب رئيس مجلس إدارة آي بي إم، توماس جيه واتسون ، الذي حضر حفل التدشين في 7 أغسطس 1944 على مضض. ^{[ 28 ] [ 29 ]} وبدوره، قرر آيكن بناء المزيد من الأجهزة دون مساعدة آي بي إم، وأصبح جهاز ASCC يُعرف عمومًا باسم "هارفارد مارك 1". ثم شرعت آي بي إم في بناء آلة حاسبة إلكترونية ذات تسلسل انتقائي (SSEC) لاختبار التكنولوجيا الجديدة ولزيادة الترويج لجهود الشركة. ^{[ 28 ]}

تبع جهاز مارك 1 أجهزة هارفارد مارك 2 (1947 أو 1948)، ومارك 3/ADEC (سبتمبر 1949)، وهارفارد مارك 4 (1952) - جميعها من تصميم أيكن. مثّل مارك 2 تحسينًا على مارك 1، مع أنه ظل يعتمد على المرحلات الكهروميكانيكية . استخدم مارك 3 في الغالب مكونات إلكترونية - أنابيب مفرغة وثنائيات بلورية - ولكنه تضمن أيضًا مكونات ميكانيكية: أسطوانات مغناطيسية دوارة للتخزين، بالإضافة إلى مرحلات لنقل البيانات بين الأسطوانات. كان مارك 4 إلكترونيًا بالكامل، حيث استُبدلت المكونات الميكانيكية المتبقية بذاكرة ذات نواة مغناطيسية . سُلّمت أجهزة مارك 2 ومارك 3 إلى قاعدة البحرية الأمريكية في دالغرين، فرجينيا . صُمم مارك 4 لسلاح الجو الأمريكي ، لكنه بقي في هارفارد.

تم تفكيك جهاز مارك 1 عام 1959، وعُرضت أجزاء منه في مركز العلوم ، كجزء من مجموعة هارفارد للأدوات العلمية التاريخية . نُقل الجهاز إلى مجمع العلوم والهندسة الجديد في ألستون في يوليو 2021. ^{[ 30 ]} وكانت أجزاء أخرى من الجهاز الأصلي قد نُقلت في وقت سابق إلى شركة آي بي إم ومؤسسة سميثسونيان . ^{[ 31 ]}

• محرك الفرق – حاسوب ميكانيكي رائد من القرن التاسع عشر
• تاريخ أجهزة الحوسبة
• قائمة الحواسيب الكهروميكانيكية
• قائمة أجهزة الكمبيوتر التي تعمل بالصمامات المفرغة

المنشورات

• مقابلة تاريخية شفهية مع روبرت هوكينز في معهد تشارلز باباج ، جامعة مينيسوتا، مينيابوليس. يتحدث هوكينز عن مشروع هارفارد-آي بي إم مارك 1 الذي عمل عليه في جامعة هارفارد كفني، بالإضافة إلى قيادة هوارد أيكن للمشروع.
• مقابلة تاريخية شفهية مع ريتشارد إم. بلوخ في معهد تشارلز باباج ، جامعة مينيسوتا، مينيابوليس. يصف بلوخ عمله في مختبر الحوسبة بجامعة هارفارد لصالح هوارد أيكن على جهاز مارك 1.
• مقابلة تاريخية شفهية مع روبرت ف. د. كامبل في معهد تشارلز باباج ، جامعة مينيسوتا، مينيابوليس. يناقش كامبل مساهمات جامعة هارفارد وشركة آي بي إم في مشروع مارك 1.
• صورة توضح أجزاء من الجهاز: "صورة مؤطرة لجهاز كمبيوتر IBM ASCC-Mark I | مقتنيات | مجموعة الأدوات العلمية التاريخية" . waywiser.rc.fas.harvard.edu . مؤرشفة من الأصل في 1 أغسطس 2020. تم الاطلاع عليها في 4 نوفمبر 2018 .
• أرشيف IBM: غرفة مراجع IBM ASCC