این صحنه، بخشی از فرایند خطایابی و احیای یکی از مهم‌ترین و کمتر روایت‌شده‌ترین اختراعات قرن بیستم بود: نسخه بازسازی‌شده کامپیوتر آتاناسوف-بری (Atanasoff-Berry Computer یا به‌طور مخفف ABC).

در دنیای روزنامه‌نگاری فناوری، روایت پیدایش کامپیوترها معمولاً از ماشین‌های عظیم‌الجثه‌ای مانند انیاک (ENIAC) یا ماشین‌های رمزگشای تورینگ آغاز می‌شود. اما کالبدشکافی دقیق اسناد تاریخی و پرونده‌های حقوقی نشان می‌دهد که ریشه‌های کامپیوترهای دیجیتال امروزی، دهه‌ها قبل در آزمایشگاه‌های فیزیک دانشگاه ایالتی آیووا شکل گرفته بود.

این داستان، با تکیه بر اسناد فنی منتشر شده در پلتفرم گیت‌هاب و بایگانی‌های دانشگاه آیووا، به بررسی عمیق معماری، چالش‌های مهندسی و نبرد حقوقی بی‌نظیری می‌پردازد که در نهایت، انحصار حقوقی پیرامون پتنت انیاک را شکست و جایگاه تاریخی آتاناسوف را تقویت کرد.

بن‌بست محاسباتی: فیزیکدانی که از ماشین‌حساب‌های مکانیکی خسته شد

در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ میلادی، مرزهای علم فیزیک با سرعت سرسام‌آوری در حال گسترش بودند، اما ابزارهای محاسباتی در جا می‌زدند. جان وینسنت آتاناسوف (John Vincent Atanasoff)، استاد فیزیک و ریاضیات، برای رساله دکتری خود با عنوان «ثابت دی‌الکتریک هلیوم»، نیازمند حل سیستم‌های پیچیده‌ای از معادلات خطی بود. او ساعت‌های متمادی را صرف کار با ماشین‌حساب مکانیکی مونرو می‌کرد، اما محدودیت‌های مکانیکی این دستگاه‌ها مانع از پیشرفت سریع محاسباتش می‌شد.

آتاناسوف در پروپوزال تاریخی خود در سال ۱۹۴۰ برای دریافت بودجه ساخت یک ماشین محاسباتی جدید، به یک حقیقت تلخ اشاره کرد: یک انسان محاسبه‌گر (که در آن زمان کامپیوتر نامیده می‌شد) برای حل یک سیستم شامل هشت معادله خطی با هشت مجهول، به حدود هشت ساعت زمان نیاز داشت. بنابراین، سرعت حل معادلات تقریباً برابر با $k \approx \frac{۱}{۶۴}$ بود؛ یعنی مسئله با بزرگ‌تر شدن، به‌سرعت غیرعملی می‌شد.

با این وصف، با افزایش تعداد متغیرها به بیست معادله و بیست مجهول، زمان محاسبه به شکل تصاعدی به ۱۲۵ ساعت می‌رسید؛ تازه آن هم بدون در نظر گرفتن خطاهای انسانی که در سیستم‌های بزرگ‌تر اجتناب‌ناپذیر بود.

همین نیاز مبرم به سرعت و دقت بود که سبب شد تا آتاناسوف با همراهی دانشجوی فارغ‌التحصیل خود، کلیفورد ای. بِری (Clifford E. Berry)، معماری ماشینی را ایجاد کند که پایه کامپیوترهای الکترونیکی آینده شود.

تولد در یک شب برفی: از کافه‌ای بین‌راهی تا تیمی دو نفره در زیرزمین

روایت مشهور شکل‌گیری ABC به زمستان ۱۹۳۷ برمی‌گردد؛ زمانی که آتاناسوف پس از ماه‌ها تلاش برای حل معادلات پیچیده، به دنبال راهی تازه برای محاسبات علمی بود. او برای رهایی از فشارهای ذهنی، سوار خودروی خود شد و با سرعت سرسام‌آوری در جاده‌های تاریک آیووا شروع به رانندگی کرد. پس از یک رانندگی طولانی، به ایالت ایلینوی رسید؛ جایی که برخلاف آیووا، قانون منع فروش مشروبات الکلی در آن اجرا نمی‌شد.

او در یک کافه بین‌راهی در ایلینوی (که در برخی داستان‌ها Hunter’s Club در راک آیلند و در برخی دیگر Forest Inn در موریسون ذکر شده است) توقف کرد. به روایت خود آتاناسوف، ایده‌های اصلی در همان توقف شبانه شکل گرفت. با اثر کردن نوشیدنی، ایده‌هایش شفاف‌تر شدند. او معماری بنیادین کامپیوتر الکترونیکی خود را همان‌جا، روی یک دستمال کاغذی کوچک یادداشت کرد. این روایت، یکی از مشهورترین لحظه‌های شکل‌گیری کامپیوترها در تاریخ فناوری است.

آتاناسوف در سال ۱۹۳۹ با بودجه‌ای بسیار ناچیز معادل ۶۵۰ دلار از سوی دانشگاه ایالتی آیووا، کار ساخت ماشینی را کلید زد که ایده اصلی‌اش روی یک دستمال کاغذی نوشته شده بود. اما او به یک دستیار فنی چیره‌دست نیاز داشت.

وقتی از دوستش، پروفسور هارولد اندرسون (Harold W. Anderson)، برای یافتن یک دانشجوی مهندسی برق کمک خواست، اندرسون بدون لحظه‌ای تردید گفت:

من همکار ایده‌آل تو را پیدا کردم: کلیفورد ای. بِری (Clifford E. Berry).

کلیفورد دانشجویی نابغه و فوق‌العاده باهوش بود که پس از کشته شدن دردناک پدرش به‌دست یک کارمند اخراجی شرکت برق، تمام مسئولیت خانواده و تحصیلش را با سرسختی به دوش می‌کشید. ترکیب نبوغ نظری آتاناسوف و مهارت‌های فنی بی‌نظیر بری، تیمی حرفه‌ای تشکیل می‌داد.

سپس با استفاده از تکنیک جای‌گذاری رو به عقب، مقادیر سایر مجهولات به‌دقت محاسبه می‌شدند. پیاده‌سازی این الگوریتم ریاضی بر روی سخت‌افزارهای آن زمان، نیازمند طراحی مدارهای منطقی بسیار دقیق برای مدیریت ضرایب اعشاری بود. مسیر ساخت این ماشین، بااین‌حال، پر از شکست‌ها و چالش‌های مهندسی بود که این تیم را وادار کرد تا استانداردهای جدیدی را در طراحی سخت‌افزارهای محاسباتی تعریف کنند.

یکی از بزرگ‌ترین موانع، روال ثبت نتایج میانی به‌شمار می‌رفت. دستگاه از روش سوراخ‌کاری با ایجاد جرقه روی کارت‌های کاغذی استفاده می‌کرد که با نرخ خطای ۱ در ۱۰۰,۰۰۰ محاسبه، عملاً کندترین بخش سیستم محسوب می‌شد.

پیش از آنکه آتاناسوف و بری این نقص را به‌طور کامل برطرف کنند، جنگ جهانی دوم شروع شد. آتاناسوف برای خدمت به آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی آمریکا پیوست و بری نیز به پروژه‌های تحقیقاتی مرتبط با دفاع نظامی فراخوانده شد. ماشینی که می‌توانست دهه‌ها پیش، مسیر توسعه دیجیتال را هموار کند، به حال خود رها شد.

اگرچه دانشگاه آیووا یک وکیل پتنت را استخدام کرده بود، به‌دلیل شرایط جنگ و پراکنده شدن تیم، اسناد ثبت اختراع ماشین ABC هرگز ثبت نشد. در نهایت، دانشگاه که برای برگزاری کلاس‌ها به فضای زیرزمین نیاز داشت، بدون اطلاع سازندگان، این نمونه اولیه را که نیمه‌کاره مانده بود، اوراق کرد و دور ریخت.

داستانی که با یک رویای بزرگ در شبی زمستانی آغاز شد، با یک پایان تلخ موقتی همراه بود. اما همان دستگاه نیمه‌تمام، بذر تمام پردازنده‌های دنیای مدرن را کاشته بود.

کالبدشکافی یک مهندسی ناتمام: اصول چهارگانه ماشین ABC

ماشین ABC برخلاف تمام تلاش‌های هم‌عصر خود (مانند کامپیوترهای الکترومکانیکی مارک ۱ هاروارد یا Z1 کُنراد زوسه)، مکانیک را کنار گذاشت و به سراغ الکترونیک رفت. چهار اصل بنیادینی که آتاناسوف تعریف کرد، پایه‌های رایانش مدرن را تشکیل دادند:

• الکتریسیته و الکترونیک: استفاده از لامپ‌های خلأ به جای چرخ‌دنده‌ها و رله‌های کند.
• اعداد مبنای دو (دودویی): برخلاف سیستم‌های ده‌دهی دشوار، استفاده از منطق صفر و یک، ساخت مدارها را ساده‌تر و قابل‌اعتمادتر می‌کرد.
• حافظه مبتنی بر خازن: استفاده از خازن‌ها برای ذخیره داده‌ها، همراه با یک مکانیسم دوره‌ای برای تازه‌سازی بار الکتریکی آن‌ها.
• عملکرد منطقی مستقیم: محاسبه بر اساس دروازه‌های منطقی، به جای روش‌های مبتنی بر شمارشگرهای آنالوگ.

جدول زیر، مشخصات سخت‌افزاری این ماشین را که با فناوری دهه ۱۹۴۰ ساخته شده بود، نشان می‌دهد:

مفهوم «جاگینگ» و تولد DRAM

یکی از شگفت‌انگیزترین ابداعات آتاناسوف، معماری حافظه آن بود. او دو استوانه به‌نام‌های استوانه صفحه‌کلید و استوانه شمارنده طراحی کرد که هر کدام حاوی ۱٬۶۰۰ خازن بودند. در این سیستم، ضرایب استوانه صفحه‌کلید به‌طور متوالی از ضرایب استوانه شمارنده تفریق می‌شدند تا زمانی که علامت تغییر کند

سپس محتویات استوانه اول به راست شیفت داده می‌شد (معادل تقسیم بر دو در منطق دودویی) و این چرخه با جمع ادامه می‌یافت. این عمل در واقع یک پیاده‌سازی سخت‌افزاری از الگوریتم حذف گاوسی تغییریافته برای حل معادلات بود.

آتاناسوف این فرآیند را جاگینگ (Jogging) نامید. این اصطلاح، مفهوم تلنگر زدن به حافظه برای یادآوری را تداعی می‌کرد. از نظر معماری حافظه، ABC یکی از نخستین نمونه‌های مهمِ حافظه‌ی خازنیِ بازتجدیدشونده بود همین ایده بعدها در حافظه‌های پویا اهمیت پیدا کرد.

نزاع حقوقی بر سر منشأ ایده (پرونده Honeywell v. Sperry Rand)

در اوایل سال ۱۹۴۱، درست چند ماه قبل از اینکه پروژه متوقف شود، جان ماکلی (John Mauchly)، به دعوت آتاناسوف چندین روز را در آزمایشگاه او گذراند. این دعوت و بازدید، سبب شد تا ماکلی، جزئیات ماشین ABC را از نزدیک مطالعه کند.

درست چندی بعد او با همکاری جی. پرسپر اکرت (J. Presper Eckert)، کامپیوتر انیاک را ابداع کردند. در اسناد ثبت اختراع خود، بدون اشاره‌ی روشن به کار آتاناسوف، ادعاهایی درباره‌ی ماشین خود مطرح کردند. این پتنت بعداً در اختیار غول فناوری آن زمان، یعنی شرکت اسپری رند (Sperry Rand) قرار گرفت.

اسپری رند با اتکا به این پتنت و توافق‌های لیسانسی، در موقعیتی قرار گرفت که می‌توانست بر بازار پردازش داده‌های الکترونیکی اثر انحصاری بگذارد. این انحصارطلبی باعث شکل‌گیری یکی از پیچیده‌ترین پرونده‌های حقوقی تاریخ فناوری، یعنی دعوای حقوقی هانی‌ول علیه اسپری رند (Honeywell v. Sperry Rand) در دادگاه منطقه‌ای مینه‌سوتا شد.

در ۱۹ اکتبر ۱۹۷۳، قاضی ارل آر. لارسون (Earl R. Larson) حکم تاریخی خود را صادر کرد. بر اساس بند ۱۱ و ۲۳ حکم، پتنت انیاک نامعتبر و غیرقابل اجرا اعلام شد. دادگاه در جمع‌بندی خود اعلام کرد که اکرت و ماوچلی به‌تنهایی مخترع این ایده نبوده‌اند و بخشی از آن از کار آتاناسوف اثر پذیرفته است.

این حکم دو نتیجه مهم داشت: اول، جایگاه تاریخی آتاناسوف را تقویت کرد؛ دوم، انحصار حقوقی پتنت انیاک را از میان برداشت. این حکم یکی از مهم‌ترین نقاط عطف در کاهش ابهام حقوقی پیرامون منشأ رایانش الکترونیکی بود.

پروژه بازسازی و معماهای حل‌نشده

صدور حکم دادگاه یک پیروزی معنوی بود، اما از آنجا که ماشین ABC نابود شده بود، همواره منتقدانی وجود داشتند که ادعا می‌کردند طرح آتاناسوف هرگز نمی‌توانست در عمل به درستی کار کند. برای اثبات نهایی این موضوع، در سال ۱۹۹۴، جان گوستافسون (John Gustafson)، پژوهشگر آزمایشگاه مقیاس‌پذیر (SCL)، با حمایت مالی چارلز دبلیو. دورهام (Charles W. Durham) که یکی از دانشجویان قدیمی آتاناسوف در سال ۱۹۳۹ بود، پروژه‌ای بزرگ را برای ساخت یک کپی دقیق (Replica) از این کامپیوتر آغاز کرد.

شورب با بودجه‌ای بسیار اندک و مطالعه کتاب مرجع آلیس و آرتور برکس با عنوان «داستان آتاناسوف: نخستین کامپیوتر الکترونیکی دنیا» (The First Electronic Computer: The Atanasoff Story)، روزهای متمادی را در زیرزمین بدون پنجره‌ی دانشگاه سپری کرد.

خطایابی این سیستم مخلوط آنالوگ و دیجیتال، یک فرآیند فرسایشی بود. شورب می‌نویسد که اشکال‌زدایی ABC در اصل همه‌چیز درباره ولتاژ بود. اگر ولتاژ صحیحی وجود نداشت، باید مسیر آن ردیابی می‌شد. تنظیم جابه‌جاگرها (Commutators) که میان استوانه‌های حافظه قرار داشتند، نیازمند دقتی مشابه کوک کردن یک پیانو بود. برس‌های دستگاه (قطعاتی قدیمی از شرکت IBM با شماره سریال 00000202) باید با ظرافت میلی‌متری با مدارها تماس پیدا می‌کردند.

یکی از جذاب‌ترین بخش‌های این بازسازی، مسئله‌ی اصالت تاریخی بود. در طول تست‌ها، فرایند پانچ روی کارت‌ها، صدای بلند و گوش‌خراشی تولید می‌کرد. شورب موفق شد با استفاده از رله‌های جریان، این مشکل را حل کند. اما پس از نشان دادن شماتیک‌های اصلاح‌شده به یک متخصص الکترونیک به‌نام گری اسلیگ (Gary Sleege)، متوجه شد که این بهینه‌سازی، ماشین را از طراحی اصلی آتاناسوف دور کرده است. در نتیجه، برای حفظ اصالت و وفاداری به تاریخ، تیم تصمیم گرفت مدار را به همان حالت پر سروصدای اولیه بازگرداند.

با وجود موفقیت ماشین در حل سیستم‌های کوچک معادلات (دو معادله با دو مجهول) در نمایش عمومی باشگاه ملی مطبوعات واشنگتن در ۸ اکتبر ۱۹۹۷، تیم با محدودیت‌های جالبی مواجه شد. یکی از مشکلات، موتور الکتریکی مدرن دستگاه بود. این موتور بیش از حد پیشرفته بود و با هر دو چرخه صعودی و نزولی جریان ۶۰ هرتز همگام می‌شد، درحالی‌که موتور اصلی ماشین در دهه ۱۹۴۰، برای تحریک صحیح سیستم ورودی و خروجی، تنها به یک چرخه متکی بود.

علاوه‌براین، آن‌ها نتوانستند کاغذ مناسبی برای مکانیزم جرقه‌زنی پیدا کنند. بااین‌حال، ثابت شد که منطق دودویی، پردازش موازی با ۳۰ ماژول همزمان و حافظه بازتولیدشونده، کاملاً بی‌نقص بوده‌اند.

از لامپ‌های خلأ تا گیت‌هاب: میراث متن‌باز کامپیوتر اولیه

امروزه داستان کامپیوتر آتاناسوف-بری تنها در موزه‌های فیزیکی متوقف نمانده است. در یک پیوند شگفت‌انگیز بین گذشته آنالوگ و آینده ابری، کدهای شبیه‌ساز، مدل‌های سه‌بعدی، راهنمای اصلی ماشین و داده‌های متادیتای این پروژه در بزرگ‌ترین پلتفرم متن‌باز دنیا، یعنی گیت‌هاب، برای عموم منتشر شده است.

نسخه‌ی دیجیتالِ مستندات و فایل‌های پروژه در مخزن abccomputer/replica و وب‌سایت همراه آن منتشر شده است؛ این کار به حفظ و دسترسی عمومی به آرشیو ABC کمک می‌کند. این نوع انتشار عمومی، از نظر معنایی با فضای حقوقی‌ای هم‌راستاست که پس از حکم ۱۹۷۳، انحصار پتنت انیاک را از میان برد.

میراث جان وینسنت آتاناسوف و کلیفورد بری، تنها ساخت یک دستگاه محاسبه‌گر نبود. آن‌ها جسارت عبور از مرزهای مکانیک به الکترونیک را داشتند. زمانی که دنیا درگیر چرخ‌دنده‌ها و اهرم‌ها بود، آن‌ها در یک زیرزمین کوچک در آیووا، با ولتاژ، خازن‌های نشتی‌دار و منطق دودویی، پایه‌های دنیای دیجیتال ما را بنا کردند.