Nauka

Maszyna stworzenia

Jak powstawał komputer

John von Neuman ze skonstruowanym przez jego zespół komputerem, 1945 r. John von Neuman ze skonstruowanym przez jego zespół komputerem, 1945 r. Getty Images/Flash Press Media
Cały rozszerzający się cyfrowy, komputerowy wszechświat, w którym jesteśmy zanurzeni, narodził się 60 lat temu we wnętrzu jednego komputera – w małym miasteczku w stanie New Jersey.
Uczeni dyskutujący w stołówce IAS w Princeton, 1947 r.Getty Images/Flash Press Media Uczeni dyskutujący w stołówce IAS w Princeton, 1947 r.
Tzw. bomba Turinga. Maszyna dekodująca dane z Enigmy, skonstruowana na przełomie lat 30. i 40. XX w.National Security Agency/Wikipedia Tzw. bomba Turinga. Maszyna dekodująca dane z Enigmy, skonstruowana na przełomie lat 30. i 40. XX w.

To miał być raj na ziemi. Abraham Flexner wymyślił Institute for Advanced Study (IAS) w latach 20. ubiegłego wieku jako miejsce, gdzie najwybitniejsi uczeni epoki mogli osiągać intelektualną nirwanę. To dlatego wybrał lokalizację ustronną, ale bez przesady – bo w granicach szacownego Princeton. Godzina, dwie podróży pociągiem dzieliła IAS od Nowego Jorku i Filadelfii. Wybudował tę „wolną społeczność uczonych” od fundamentów. „Możliwe, że instytuty, podobnie jak narody, są najszczęśliwsze, kiedy nie mają historii” – mawiał. Pracownicy i goście Instytutu zostali zwolnieni z obowiązków dydaktycznych, by w tej niemal utopijnej świątyni rozumu oddawać się wyłącznie teoretyzowaniu. Flexner nie przewidywał w IAS obecności eksperymentatorów.

Instytut miał wyznaczać nowe standardy akademickie w kraju, którego ówczesne szkolnictwo było bardziej mierne niż wyższe. Za sprawą historycznej koincydencji Flexner osiągnął dużo więcej. Uratował od nędzy wielu amerykańskich uczonych, gnębionych przez Wielki Kryzys. Przede wszystkim zaś tuż przed wrześniem 1939 r. ściągnął do USA znaczną część elity intelektualnej Europy – Alberta Einsteina, Hermanna Weyla, innego wybitnego niemieckiego fizyka i filozofa, i wielu innych – ratując ich przed jak najbardziej realną zagładą. Flexner sprowadził do USA trochę przedwojennej Getyngi, Zurychu i Budapesztu.

Jak każdy raj, tak i IAS miał swoją wadę wrodzoną. Słynny fizyk Richard Feynman, kiedy odwiedził Instytut w latach 40., pisał o tamtejszych uczonych tak: „Ci biedni dranie mogą teraz usiąść spokojnie i myśleć, OK? Mają okazję coś osiągnąć, ale nic im nie przychodzi do głowy. Nic się nie dzieje, bo wokół brak realnego ożywienia, brak wyzwań. Brak eksperymentatorów. Nie musisz odpowiadać na pytania studentów. Nic!”. Idealne warunki do pracy nierzadko wprawiały naukowców w stan frustracji. Był jednak krótki okres, kiedy teoretycy, doświadczalnicy oraz inżynierowie stworzyli jeden spójny, niepowtarzalny zespół, który zmienił oblicze cywilizacji.

Johnny superczłowiek

Czas ten po raz pierwszy opisuje George Dyson, historyk nauki, w swojej wydanej właśnie książce „Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe” („Katedra Turinga: Początki cyfrowego wszechświata”). Dyson pracował nad nią osiem lat, korzystając z odtajnionych niedawno materiałów. Trudno o lepszego autora: Dyson dzieli śmiałość myśli i talent literacki ze swoim ojcem, Freemanem, urodzonym heretykiem współczesnej nauki. Poza tym urodzony w 1953 r. George wychował się w IAS, wśród uczestników projektu, zabawiając się częściami tego, co miało się okazać najważniejszym dotąd komputerem w dziejach ludzkości.

Pierwsze maszyny liczące budowano głównie na potrzeby wojska, bo tylko ono skłonne było w nie inwestować. Brytyjskie Colossusy w latach 40. XX w. łamały szyfry niemieckiej maszyny Lorenza. Po drugiej stronie frontu pracowały komputery Konrada Zuse’a. Ten niemiecki inżynier z przełączników telefonicznych drugiego sortu konstruował urządzenia do projektowania bomb latających. Był wreszcie ENIAC, czyli Electronic Numerical Integrator And Computer. Ta ważąca blisko 30 ton, pracująca w systemie dwójkowym „lokomotywa” Johna Prespera Eckerta i Johna Mauchly’ego, usprawniała proces obliczania tablic artyleryjskich i przyspieszyła budowę pierwszej bomby jądrowej. W tym ostatnim projekcie kolosalną rolę odegrał węgierski emigrant, urodzony w 1903 r. John von Neumann (dla przyjaciół Johnny). I to on namówił generałów, by pójść o krok dalej – stworzyć maszynę w pełni uniwersalną.

Von Neumann doskonale zrozumiał sens i wagę rewolucyjnych prac Alana Turinga, genialnego brytyjskiego matematyka, który jeszcze w latach 30. sformułował podstawy teorii maszyn liczących i sztucznej inteligencji. Opierając się na nich, von Neumann zaprojektował urządzenie tak radykalnie nowatorskie, że – jak pisał – „wiele jego zastosowań miało się okazać jasnych dopiero wtedy, kiedy zacznie się go używać”.

Węgier miał tę przewagę nad chorobliwie nieśmiałym Brytyjczykiem, że był zwierzęciem społecznym i zdołał nadać swoim pomysłom realny kształt. Był – jak Turing – geniuszem, ale nietypowym, bo spełniającym się w działaniu. „Jeśli powstanie kiedyś rasa superludzi, to jej przedstawiciele będą przypominać von Neumanna” – mawiał Edward Teller, powszechnie uważany za ojca bomby wodorowej, nawiasem mówiąc – też urodzony na Węgrzech. Był absolutnym mistrzem we wszystkim – poza muzyką i sportem. Ale uwielbiał wielkie samochody, szybką jazdę, otwarte przestrzenie, kochał swoją drugą ojczyznę, Amerykę, pierwszą miłością Europejczyka, który widział, jak Stary Kontynent pogrąża się w nazistowskim szaleństwie.

Do konserwatywnego Princeton, które Einstein nazywał „wioską półbożków na szczudłach”, von Neumann sprowadził obyczaje socjety międzywojennego Budapesztu. Przyjęcia w domu Johna i Klary wielu uczestników wspomina jako doświadczenie życiowe równie istotne jak praca w IAS. Von Neumann czasem wymykał się z salonu, żeby szybko coś zapisać, porachować, bo najwydajniej pracował w podróży, na lotniskach, zatłoczonych stacjach kolejowych, statkach, w motelach i na imprezach właśnie.

Von Neumann stworzył w IAS miejsce pracy o nieformalnej, stymulującej atmosferze, podobnej do tej, która panowała w Nowym Meksyku podczas pracy nad projektem Manhattan. Skrzyknął naukowców z trudem odnajdujących się w powojennej, skostniałej strukturze akademickiej. Miał von Neumann jeszcze jedną cechę – świetnie dogadywał się z wojskowymi. Po pierwsze dlatego, że głęboko wierzył, że przeciwko Stalinowi należy wszcząć wojnę prewencyjną, zapobiegającą okrucieństwom większym niż nazistowskie. Po drugie, że w przeciwieństwie do większości matematyków uważał, iż dobra nauka rośnie tylko w kontakcie z realnym światem. Tak się składało, że Amerykanie budowali wtedy swoje pierwsze bomby wodorowe. Trzeba było policzyć dokładnie, jak przebiegają kolejne fazy eksplozji. Najlepiej za pomocą nowego komputera. Projekt ruszył pełną parą pod koniec 1945 r.

Cyfrowy mechanik

Von Neumann odkrył wyjątkowo zdolnego inżyniera Juliana Bigelowa. Jak większość pionierów świata komputerów, tak i ten absolwent MIT zdobywał doświadczenie, konstruując systemy na potrzeby wojska (z cybernetykiem Norbertem Wienerem budował systemy artylerii przeciwlotniczej). Zajmował się elektroniką w czasach, gdy uważano ją za coś „raczej podejrzanego i frywolnego”. Będąc dzieckiem Wielkiego Kryzysu zbierał wszystko, co znalazł, i kiedy przyjechał do IAS, kupił starą stodołę i tam to wszystko składował. Był jedną z tych nielicznych w Princeton osób, które potrafiły naprawić samochód.

Za Bigelowem przyszli kolejni inżynierowie. Czasy były trudne, dobra racjonowane, również materiały budowlane, gnieździli się więc początkowo w piwnicach Fuld Hall, centralnego budynku IAS. Spali w głównej sali, w której po południu towarzystwo teoretyków miało zwyczaj rytualnego (kultywowany zresztą do dziś) picia herbaty. Ci ostatni spoglądali na ludzi, którzy zajmowali się „jakimś brudnym sprzętem” z nieskrywaną pogardą. Celowali w tym zwłaszcza humaniści, z zasłużonym skądinąd dla historii sztuki Erwinem Panofskym na czele. Inni, a wśród nich Einstein, dawali z kolei wyraz dezaprobaty dla idei współpracy z wojskiem. Nie przez przypadek budynek, w którym powstała maszyna z IAS, stanął w polu, przy końcu Olden Lane, tak by można było udawać, że nie należy do Instytutu.

Von Neumann i Bigelow podjęli kapitalną decyzję – uznali, że do budowy maszyny użyją powszechnie dostępnych na rynku i tanich elementów. Wybrane przez nich lampy elektronowe były produkowane w ilościach masowych. Ich parametry zmieniały się w miarę używania, ale von Neumann miał ten problem dobrze przemyślany. Wiedział, że niezawodny komputer można złożyć choćby i z tysięcy zawodnych elementów. Wraz z niemieckim ekonomistą Oskarem Morgensternem Węgier opracował wcześniej teorię systemów opisującą podobną sytuację.

Za moduły pamięci posłużyło 40 lamp oscyloskopowych. Von Neumann podpatrzył to rozwiązanie w Manchesterze, gdzie na przełomie lat 40. i 50. grupka entuzjastów budowała absolutnie pionierskie urządzenia oparte na ideach Turinga. Frederic Williams, Tom Kilburn i Geoff Tootill zmagali się nie z materią, ale przede wszystkim z klauzulą tajności – obejmującą cały imponujący wojenny brytyjski dorobek w dziedzinie komputerów – oraz z żałosnym budżetem. Ich dokonania wywarły wpływ na losy świata tylko dzięki pośrednictwu von Neumanna. Wpływ był jednak realny i trwały – lampy Williamsa złożyły się na pierwszą z prawdziwego zdarzenia pamięć o dostępie swobodnym, czyli coś, co stanowi element każdego współczesnego komputera. Mogły w niej koegzystować zarówno dane, jak i zakodowane polecenia, co w niespotykany dotąd sposób zwiększało uniwersalność i szybkość jego działania.

Wierząc w wizję von Neumanna, Bigelow z kolegami pracowali na zmiany, dosłownie bez przerwy. Wyjadali cukier do herbaty, wielokrotnie przekraczając przydziałowe normy IAS, co budziło sprzeciw Franka Aydelotte’a, ówczesnego szefa Instytutu. Nie dbali o patenty, za namową von Neumanna oddając pomysły w domenę publiczną. Po niecałych sześciu latach postawili coś, co przypominało turbodoładowany 40-cylindrowy silnik grzejący jak piec hutniczy (jego system chłodzenia byłby w stanie wyprodukować 15 ton lodu dziennie). Komputer wykonywał podstawowe działania w czasie od kilkudziesięciu do kilkuset mikrosekund i dysponował pamięcią o szokującej pojemności 5 kilobajtów (dziś tyle mniej więcej potrzeba, by na pulpicie wyświetlić pojedynczą ikonę). Za dnia komputer liczył, jak efektywnie wykorzystywać energię reakcji jądrowych i jak równać z ziemią całe metropolie. Nocami z maszyny korzystali odkrywcy nowych lądów nauki.

Ziemia obiecana

Jednym z pierwszych był Philip Thompson, meteorolog, którego von Neumann ściągnął do Princeton po zaledwie półgodzinnej rozmowie. Thompson różnił się od większości ówczesnych uczonych – uważał, że przewidywanie pogody to nie bajanie, a nauka, która może być uprawiana za pomocą komputera. Thompson podchwycił teorię Lewisa Fry Richardsona, brytyjskiego matematyka, który podczas I wojny światowej opracował metody numerycznej symulacji pogody, snując wizję nieistniejących jeszcze maszyn mogących do tego służyć.

Po pierwszych trafnych symulacjach, przeprowadzonych w IAS, wydawało się, że dokładność prognoz długoterminowych powinna zależeć tylko od mocy obliczeniowej komputera. Von Neumann, razem z Vladymirem Zworykinem, zaczął obmyślać metody przewidywania, a nawet kontrolowania ziemskiego klimatu. Nie wiedział jeszcze (miał tego dowieść za kilka lat Edward Lorenz), że turbulentne zjawiska zachodzące w atmosferze prawdopodobnie zawsze będą się wymykać analizie numerycznej. Jednak mimo to wraz z Thompsonem uczynił z meteorologii pełnoprawną dziedzinę naukową.

Von Neumann zaprosił też do IAS Martina Schwarzschilda. Ten urodzony w Niemczech astrofizyk wykorzystał komputer z Princeton do symulowania zjawisk zachodzących we wnętrzach gwiazd. Badał złożone procesy konwekcyjne, przemiany jądrowe ewoluujących gwiazd. Uprawiał rodzaj kosmologicznej meteorologii już we wczesnych latach 50., wyprzedzając konceptualnie i praktycznie większość kolegów po fachu.

W pamięci maszyny z IAS symulowano procesy zachodzące we wszystkich skalach wielkości, w układach nieożywionych, a także ożywionych. Tym ostatnim poświęca George Dyson w swojej wyjątkowej książce szczególnie wiele uwagi. Nie bez przyczyny: inspirowani wizjami von Neumanna uczeni z IAS poszerzyli znaczenie pojęcia życia i ewolucji.

Wśród naukowców zaproszonych przez von Neumanna najbardziej ekscentryczny był zapewne Nils Barricelli. Kwestionował przyjęte dogmaty (np. pewne założenia darwinizmu) i funkcjonował na obrzeżach Akademii (być może była to konsekwencja samosprzecznego, norwesko-włoskiego pochodzenia). Interesował się życiem, także pozaziemskim, a zwłaszcza tym, jak owo życie rozpoznać. Tworzył cyfrowe twory zwane symbioorganizmami i pozwalał im rozwijać się w pamięci maszyny. Jakie są podstawowe reguły życia? Czy można je zaprogramować? Czy symulacje życia same w sobie nie są życiem? Barricelli zaprzągł moc komputerów do badania ewolucji i moc ewolucji do sondowania potencjału komputerów – pisze Dyson.

Wraz z von Neumannem Barricelli pytał też o istotę inteligencji. Wracał do najsłynniejszego pytania Alana Turinga o to, czy maszyna może myśleć – czy komputer może być twórczy? Barricelli sądził, że inteligencje sztuczna i naturalna mogą kiedyś stworzyć jedną kolektywną całość, znacznie przewyższającą potencjałem ludzki mózg. Von Neumann przeczuwał, jak można by było taką całość skonstruować. Tradycyjne komputery są w pełni cyfrowe, manipulują bitami, niepodzielnymi porcjami informacji, natomiast przyroda działa w sposób analogowy, ciągły. Być może istnieją procedury obliczeniowe łączące obie te cechy – pisał Węgier w 1951 r.

Von Neumann podejmował próby sformułowania teorii obejmującej świat maszyn i organizmów żywych, ale musiał się wycofać. W 1953 r., po zakończeniu prac nad komputerem, rozpoczął pracę w Atomic Energy Commission. Wkrótce potem odkryto u niego zaawansowany nowotwór. Cierpiał fizycznie. Choroba dewastowała umysł. Umarł w 1957 r. Stanisław Ulam, matematyk polskiego pochodzenia i najbliższy przyjaciel Węgra, powiedział Dysonowi: „John umarł przedwcześnie, widząc ziemię obiecaną, ale nie mogąc na nią wkroczyć”.

Zemsta snobów

Dziś najłatwiej dotrzeć do IAS z Nowego Jorku pociągiem. Industrialne, postapokaliptyczne krajobrazy Newark ilustrują, jak wyglądać będzie świat pozbawiony życia opartego na białku. Tym większym wstrząsem estetycznym jest Princeton – jakby żywcem przeniesione z brytyjskiej prowincji. Krótki spacer zacienionymi ulicami, pole golfowe, prosta Olden Lane, Einstein Drive – i niezmiennie idylliczny Institute for Advanced Study. To wciąż jeden z najgorętszych punktów na naukowej mapie świata. Pracowali tu (lub wciąż pracują) T.D. Lee, C.N. Young, Frank Wilczek, Juan Maldacena, Edward Witten. Ale Instytut przypomina nieco górę Ararat czy Synaj. Historia cywilizacji tam się na swój sposób zaczęła, ale jej dalszy ciąg pisze się gdzie indziej.

„Kiedy John von Neumann zmarł, lokalne snoby powzięły zemstę i wyrwały cały projekt komputerowy z korzeniami” – powiedział synowi Freeman Dyson. O północy 15 lipca 1958 r. Julian Bigelow wyłączył główne zasilanie komputera. Dla niego i innych ludzi von Neumanna zabrakło miejsca w IAS. Rozjechali się po świecie. Ale duch ich komputera przetrwał. Ponieważ nie został opatentowany, natychmiast zaczęto kopiować jego konstrukcję. IBM zbił fortunę na klonach maszyny von Neumanna.

Inżynierowie z IAS sądzili, że neumannowska architektura przetrwa parę lat, nie więcej. Nie przypuszczali, że długo po zniknięciu lamp elektronowych wciąż będziemy projektować komputery w podobny sposób. Czy wobec tego maszyny liczące wciąż tkwią w epoce prekambryjskiej? – pyta George Dyson. Nie do końca. Sami zaczęliśmy żyć w maszynie, w pajęczynie kablowych i bezprzewodowych połączeń, stając się analogowym czynnikiem wpływającym na cyfrowy świat – i vice versa. Aplikacje krążą w nim niczym mikroby. Wielkie cyfrowe organizmy – takie jak Facebook, Google czy Amazon – prowadzą nieustanne, niezależne od naszej woli obliczenia, uwzględniając subiektywne ludzkie opinie i decyzje. Zaczynają tym samym przekraczać cyfrowo-analogową barierę, o której wspominał von Neumann.

Miniaturowy, liczący 5 kilobajtów, wszechświat komputera z Princeton rozrósł się dziś do ekosystemu eksabajtów, tryliardów bitów krążących w światłowodach Internetu i rozrzuconych po dyskach twardych oraz kościach pamięci milionów współczesnych urządzeń elektronicznych. Nowy wszechświat rośnie i wchodzi w kolejne stadia ewolucji.

Polityka 23.2012 (2861) z dnia 06.06.2012; Nauka; s. 72
Oryginalny tytuł tekstu: "Maszyna stworzenia"
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Kultura

Niezwykły film o Tonym Haliku

Nowy film przypomina postać Tony’ego Halika – polskiego podróżnika, honorowego „białego Indianina”, nieustraszonego reportera, który realizm magiczny uprawiał w życiu i pracy.

Aneta Kyzioł
18.09.2020
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną