دو مهندس خسته اما متمرکز، در سکوتی سنگین به صفحه‌ی درخشان یک لامپ پرتو کاتدی خیره مانده بودند. ناگهان، رقص نقطه‌های نورانی روی صفحه متوقف شد و پاسخی درخشان در برابر چشمانشان نقش بست. ماشینی که از زباله‌های جنگی جان گرفته بود، برای نخستین‌بار توانست نرم‌افزاری را درون حافظه‌ی الکترونیکی نگه دارد.   

تولد هیولای بریتانیایی، خط پایانی بر عصر سیم‌کشی‌های فیزیکی کشید و مسیر را برای خلق دنیای دیجیتال هموار ساخت. نام ناجی غول‌پیکر علم محاسبات، برخلاف ظاهر ترسناک و خشن آن، «بِیبی» (Baby) یا ماشین تجربی مقیاس کوچک گذاشته شد. دستاورد شگرف مهندسان منچستر نشان داد که ماشین‌ها می‌توانند فراتر از محاسبات ساده عمل کنند و قدرت یادگیری داشته باشند.   

زندان کابل‌ها؛ چرا برنامه‌نویسی یک شکنجه محسوب می‌شد؟

دانش محاسبات پیش از سال ۱۹۴۸، شباهت چندانی به مفاهیم امروزی نداشت و اپراتوری در یک مرکز مخابراتی را تداعی می‌کرد. مهندسان آمریکایی در آن دوران، ماشین عظیمی به‌نام اِنیاک (ENIAC) ساخته بودند که قدرت پردازش بالایی ارائه می‌داد. ماشین انیاک به‌رغم توانمندی‌های خیره‌کننده، در واقع یک ماشین‌حساب غول‌پیکر محسوب می‌شد و حافظه‌ای برای نگهداری دستورالعمل‌ها نداشت.

فقدان حافظه‌ی داخلی، وابستگی مطلق ماشین به ساختار سخت‌افزاری را برای انجام هر محاسبه‌ی جدید به همراه داشت. ایده‌ی رهایی از محدودیت دست‌وپاگیر، توسط ریاضیدان برجسته، جان فون نویمان (John von Neumann)، در سال ۱۹۴۵ پیشنهاد شد. معماری پیشنهادی او بر اصل بی‌نظیر قرار دادن داده‌ها و کدهای برنامه‌نویسی در یک فضای ذخیره‌سازی واحد، تکیه می‌کرد.   

رادارهای شکارچی و تولد تصادفی حافظه‌ی کامپیوتر

دستیابی به حافظه‌ای که بتواند با سرعت بی‌نظیر پردازنده‌های الکترونیکی همگام شود، بزرگ‌ترین معمای دانشمندان در دهه‌ی چهل میلادی به‌شمار می‌رفت. سیستم‌های مبتنی بر خطوطِ تأخیر صوتی که از لوله‌های جیوه بهره می‌بردند، به‌شدت کند و در برابر تغییرات دمایی آسیب‌پذیر بودند. پاسخ معمای مهندسی، نه در آزمایشگاه‌های کامپیوتر، بلکه در بقایای تکنولوژی‌های راداری به‌جامانده از جنگ جهانی دوم پنهان شده بود.   

دو مهندس بریتانیایی متخصص در رادارهای ردیاب، فردی ویلیامز (Freddie Williams) و تام کیلبرن (Tom Kilburn) متوجه پدیده‌ای جذاب در لامپ‌های پرتو کاتدی شدند. برخورد الکترون‌ها به صفحه‌ی فسفری لامپ‌ها، بار الکتریکی موقتی ایجاد می‌کرد که برای کسری از ثانیه روی صفحه باقی می‌ماند. پدیده‌ی فیزیکی مذکور که انتشار ثانویه نام داشت، الهام‌بخش ساخت قطعه‌ای شگفت‌انگیز به نام «لامپ خلأ ویلیامز» شد.

مکانیسم عمل لامپ ویلیامز را می‌توان به نوشتن با انگشت روی یک آینه‌ی مه‌آلود در حمام تشبیه کرد. نوشته‌ی روی آینه به سرعت محو می‌شود و برای حفظ آن، فردی باید دائماً همان خطوط را بازنویسی کند. بار الکتریکی ثبت‌شده روی صفحه‌ی کاتدی نیز پایداری نداشت و مدار الکترونیکی باید اطلاعات را در چرخه‌هایی منظم بازخوانی و بازنویسی می‌کرد.   

تکنیک بازنویسی مداوم، امکان خلق اولین نمونه از حافظه‌ی دسترسی تصادفی (RAM) را در تاریخ مهندسی فراهم آورد. صفحه‌ی فلزی قرارگرفته در برابر لامپ، بارهای مثبت و منفی نماینده صفر و یک‌های منطقی را با سرعت نور می‌خواند و می‌نوشت. ابزاری که روزگاری آسمان شب را برای یافتن بمب‌افکن‌های نازی می‌کاوید، ناگهان به گاوصندوقی برای ذخیره‌ی افکار یک ماشین بدل گشت.   

کالبدشکافی هیولای یک‌تُنی در آزمایشگاه منچستر

توسعه‌ی پروژه‌ی بِیبی در مراحل ابتدایی، با هدف خلق یک ابرکامپیوتر تجاری و فروش آن در بازارهای بین‌المللی کلید نخورد. طراحان سیستم صرفاً می‌خواستند قابلیت اطمینان لامپ ویلیامز را در شرایط واقعی بسنجند و نظریه‌ی ذخیره‌سازی نرم‌افزار را به اثبات برسانند. بودجه‌های پژوهشی در بریتانیای پس از جنگ به‌شدت محدود بود و محققان چاره‌ای جز بکارگیری قطعات مازاد نظامی نداشتند.

مشخصات فنی دستگاه، با وجود نام گمراه‌کننده‌ی بِیبی، ابعادی ترسناک و غول‌پیکر را در ذهن ناظران به تصویر می‌کشید. طول سخت‌افزار به بیش از پنج متر می‌رسید و قلب تپنده‌ی سیستم با ۵۵۰ لامپ حرارتی پرمصرف می‌تپید. مجموع قطعات فلزی و مدارهای الکترونیکی، وزنی معادل یک تُن داشتند و توانی برابر با ۳/۵ کیلووات از شبکه‌ی برق استخراج می‌کردند.   

پنجاه‌ودو دقیقه‌ی دلهره؛ لحظه‌ی بیداری اولین برنامه‌ی واقعی

اجرای اولین برنامه روی بِیبی، نیازمند طراحی یک الگوریتم ریاضی ویژه برای درگیر کردن تمام بخش‌های کامپیوتر الکترونیکی بود. کیلبرن شخصاً برنامه‌ای شامل هفده دستورالعمل نوشت تا بزرگ‌ترین مقسوم‌علیه حقیقی برای عدد $۲^{۱۸}$ را محاسبه کند. منطق نرم‌افزار بر یک روش طاقت‌فرسا تکیه می‌کرد: بررسی تمامی اعداد صحیح از عدد پایه به سمت پایین تا یافتن پاسخ دقیق.

طراحی سخت‌افزار کامپیوتر به ساده‌ترین شکل ممکن پایان یافته بود و پردازنده‌ی مرکزی هیچ مدار تقسیم‌کننده‌ی فیزیکی در اختیار نداشت. عملیات تقسیم در الگوریتم، به کمک نرم‌افزار و از طریق تفریق‌های متوالی و مکرر مقسوم‌علیه شبیه‌سازی می‌شد. تکنیک تفریق مکرر، زمان پردازش را به‌شدت افزایش می‌داد، اما برای اثبات پایداری سیستم، هوشمندانه‌ترین انتخاب ممکن به‌شمار می‌رفت. این روزها برنامه هفده خطی کیلبرن، با ۵ خط یا حتی کمتر، قابل نوشتن است:

# Modern Python version of Tom Kilburn's 1948 logic
def find_highest_factor(n):
    # Kilburn's algorithm tested every integer 'b' from 'n-1' downward
    for b in range(n - 1, 0, -1):
        # Repeated subtraction check (modeled here by the modulo operator)
        if n % b == 0:
            return b

number_to_test = 2**18
result = find_highest_factor(number_to_test)
print(f"The highest proper factor of {number_to_test} is {result}")

صبح روز بیست‌ویکم ژوئن ۱۹۴۸، ورود دستورات به دستگاه از طریق فشردن دستی ده‌ها دکمه روی یک پنل زمخت، کلید خورد. پس از فشردن دکمه‌ی استارت، نقاط نورانی روی لامپ کاتدی شروع به رقصی کاملاً نامنظم کردند. ماشین بی‌وقفه کار می‌کرد و مهندسان در سکوتی مطلق، به مانیتوری خیره مانده بودند که نخستین نشانه‌های حیات نرم‌افزاری را پردازش می‌کرد.

کامپیوتر یک‌تنی برای مدت زمان پنجاه‌ودو دقیقه به‌صورت مداوم روشن ماند و ۳/۵ میلیون عملیات مجزا را با موفقیت پشت سر گذاشت. سرانجام محاسبه پایان یافت و عدد ۱۳۱,۰۷۲ به‌عنوان پاسخ نهایی بر روی صفحه‌ی نمایش درخشید. موفقیت آزمایش چنان شگفت‌انگیز بود که مهندسان برای لحظاتی طولانی توانایی بیان هیچ کلمه‌ای را نداشتند و فقط در سکوت نگاه می‌کردند.

نبرد بر سر تخت پادشاهی فناوری؛ منچستر یا انیاک؟

مورخان حوزه‌ی فناوری، همواره بر سر انتخاب اولین کامپیوتر واقعی دنیا با یکدیگر اختلاف نظر داشته‌اند. رقابت اصلی عمدتاً میان دستاورد بریتانیایی‌ها در دانشگاه منچستر و ماشین غول‌پیکر آمریکایی انیاک جریان دارد. طراحان انیاک در آوریل ۱۹۴۸ توانستند یک برنامه‌ی پیچیده برای شبیه‌سازی شکافت هسته‌ای را با موفقیت اجرا کنند.

برنامه‌ی شبیه‌سازی اجراشده روی انیاک، شامل صدها دستورالعمل بود و بسیار کاربردی‌تر از کد هفده خطی کیلبرن به‌نظر می‌رسید. تفاوت بنیادین در رقابت تاریخی مذکور، به مفهوم دقیق «چارچوب کد مدرن» و معماری ذخیره‌سازی بازمی‌گردد. تغییرات اعمال‌شده روی انیاک، دستورات را روی آرایه‌ای از سوئیچ‌های دستی ثبت می‌کرد که مشابه حافظه‌های فقط‌خواندنی (ROM) عمل می‌کردند.

کامپیوتر آمریکایی، توانایی تغییر خودکار دستورالعمل‌ها را در حین اجرای نرم‌افزار نداشت و متغیرها کاملاً از کدهای پردازشی جدا نگهداری می‌شدند. دستاورد شگفت‌انگیز بِیبی، پیاده‌سازی خالص و بی‌نقص معماری فون نویمان در یک محیط کاملاً عملیاتی بود. کدهای برنامه و داده‌های اطلاعاتی در یک فضای حافظه‌ی یکسان ذخیره می‌شدند و کامپیوتر می‌توانست کدهای نرم‌افزاری خود را تغییر دهد.   

قابلیت جهش‌یافته‌ی کامپیوتر بریتانیایی، انعطاف‌پذیری بی‌سابقه‌ای به سخت‌افزار می‌بخشید و مرز بین قطعات فیزیکی صلب و نرم‌افزار پویا را کاملاً محو می‌کرد. کامپیوتر دیگر یک ماشین حساب غول‌پیکر با سیم‌کشی‌های ثابت نبود؛ بلکه به مغزی الکترونیکی با قابلیت یادگیری دستورات جدید تبدیل شده بود. پیروزی در نبرد اولین‌ها، به لطف حافظه‌ی تصادفی، نصیب مهندسان منچستر شد.   

میراثی در جیب شما؛ چگونه آهن‌قراضه‌ها دنیا را تغییر دادند؟

موفقیت پروژه‌ی آزمایشی بریتانیایی‌ها، موجی از هیجان و سرمایه‌گذاری را در محیط‌های آکادمیک و صنعتی به‌همراه آورد. دولت بریتانیا با درک پتانسیل عظیم فناوری جدید، بودجه‌ای هنگفت برای توسعه‌ی یک نسخه‌ی پایدارتر و کاربردی‌تر اختصاص داد. چندی بعد، کامپیوتری پیشرفته با نام «منچستر مارک ۱» متولد شد و ظرفیت حافظه‌ی بسیار بیشتری را در اختیار برنامه‌نویسان قرار می‌داد.

لامپ‌های کاتدی به‌دلیل حساسیت شدید به میدان‌های الکترومغناطیسی اطراف و نیاز به تنظیم مداوم، یک بن‌بست فناورانه به‌حساب می‌آمدند. با وجود تمامی نقص‌های فیزیکی، شرکت مهندسی فرانتی با الگوبرداری از سیستم‌های دانشگاه منچستر، اولین کامپیوتر تجاری دنیا را تولید کرد.

گذر دهه‌ها و ظهور فناوری نیمه‌رساناها، قطعات مکانیکی و لامپ‌های پرمصرف خلأ را به موزه‌های تاریخ فناوری فرستاد. ترانزیستورهای میکروسکوپی بر پایه‌ی سیلیکون به‌سرعت جایگزین مدارهای حجیم شدند و ظرفیت ذخیره‌سازی از چند بیت ناچیز، به میلیاردها بایت ارتقا یافت. تغییرات ظاهری سخت‌افزارها چشم‌گیر بودند، اما شالوده‌ی منطقی سیستم‌ها هرگز دچار دگرگونی نشد و معماری ۱۹۴۸ پابرجا ماند.

گوشی هوشمندی که اکنون برای گشت‌وگذار در شبکه‌های اجتماعی استفاده می‌کنید، مستقیماً وام‌دار تلاش مهندسان منچستر در دل جنگ سرد قلمداد می‌شود. ریزپردازنده‌های پیشرفته‌ی گوشی‌ها، دقیقاً از همان الگوی یکپارچگی داده‌ها و نرم‌افزار پیروی می‌کنند که روی قطعات بازیافتی رادارها آزمایش شد. قدرت واقعی کامپیوترها در تراشه‌ها نیست؛ بلکه در نرم‌افزار پویایی خلاصه می‌شود که هویت کامپیوتر را لحظه‌به‌لحظه دگرگون می‌سازد.

اجرای یک بدافزار (Malware) مخرب، تراکنش بانکی در تهران یا بازی سنگین گرافیکی در یک گوشی میان‌رده، بر همان منطق بنیادینی استوار است که کیلبرن روی مانیتور کاتدی تایپ کرد. پیشرفت‌های حیرت‌انگیز عصر هوش مصنوعی، ریشه در ضایعات فلزی و نبوغ مهندسانی دارد که در سرما رویای ساخت مغز الکترونیکی را می‌بافتند. تاریخ فناوری همواره ثابت کرده است که بزرگ‌ترین جهش‌های علمی، از دل محدودیت‌ها پدیدار می‌شوند.

پایان عصر سیلیکون؛ در انتظار جهش بعدی

دستگاه بِیبی به دنیای محاسبات آموخت که محدودیت‌های فیزیکی نمی‌توانند مانع پرواز تخیل برای خلق ساختارهای نرم‌افزاری بی‌نهایت شوند. عبور از سیم‌کشی‌های سخت‌افزاری به سمت کدهای منعطف، بشریت را از زندان ماشین‌های تک‌منظوره رها ساخت. دستاورد مهندسان بریتانیایی، مرزهای پردازش را گسترش داد و زبان ارتباطی جدیدی میان انسان و سیلیکون خلق کرد. فون نویمان سال‌ها پیش به‌درستی پیش‌بینی کرد که:

«ما در حال ساخت سیستم‌هایی هستیم که توانایی یادگیری خواهند داشت.»

— جان فون نویمان

معماری فون نویمان پس از هفت دهه، همچنان فرمانروای بلامنازع دنیای دیجیتال به‌شمار می‌رود و تمامی نوآوری‌ها روی همین بستر شکل می‌گیرند. اکنون با ظهور کامپیوترهای کوانتومی و تراشه‌های نورومورفیک، پرسش مهمی مطرح می‌شود که آیا معماری منچستر سرانجام بازنشسته خواهد شد یا در قالبی دیگر، ادامه خواهد یافت.