Mineva sto let od rojstva prof.dr. Franceta Bremšaka, enega izmed ključnih začetnikov slovenskega računalništva. Ob tem jubileju se v Računalniškem muzeju poklanjamo spominu nanj z mini serijo člankov o analognem in hibridnem računalništvu.
Prof.dr.France Bremšak se je po študiju elektrotehnike na Tehniški fakulteti v Ljubljani leta 1952 zaposlil na Nuklearnem inštitutu Jožef Stefan, kjer je ustanovil in nato vodil Laboratorij za elektroniko. Po strokovnem izpopolnjevanju na Inštitutu za uporabno fiziko v Švici in študiju dinamike in regulacije jedrskih reaktorjev v ZDA je konec petdesetih na inštitutu prevzel še vodenje novega oddelka za elektroniko. V tej prvi objavi obravnavamo pomembne dosežke, ki so jih v tem obdobju pod njegovim vodstvom dosegli v laboratoriju/na oddelku in predstavljamo širše področje analognega računalništva, ki so ga pred njimi razvijali že na beograjskem Inštitutu Borisa Kidriča.
Razvoj prvih analognih računalnikov
Pred izumom digitalnih elektronskih računalnikov so si znanstveniki pri računanju lahko pomagali z mehanskimi računali in elektromehanskimi računskimi stroji, vendar so bili ti za prave znanstvene probleme premalo zmogljivi in preveč okorni. Hitro so lahko izvajali serije preprostih aritmetičnih operacij, vendar je glavnina zahtevnega matematičnega dela še vedno odpadla na ročno delo računarjev (Computer). Ti so skrbeli za izračune na univerzah, v javni upravi, energetiki, gospodarstvu, vojski…
V dvajsetih so začeli nastajati prvi novi računski pripomočki v obliki analognih računalnikov. To niso bili univerzalni računalniki in jih ni bilo mogoče programirati na način, da bi reševali poljubne matematične probleme, zato je bila njihova sestava lahko relativno enostavna. Zasnovani so bili za reševanje pogostih matematičnih problemov v znanosti in tehniki, na primer računanje diferencialnih enačb in računanje sistemov linearnih enačb.
Prve sodobne analogne računalnike so v dvajsetih izdelali, da bi z njimi preučevali pojave v električnih omrežjih in si pomagali pri usmerjanju balističnih izstrelkov. Po svetu so zgradili vsaj 50 analognih računalnikov, ki so delovali kot simulatorji in analizatorji električnih omrežij, konec štiridesetih prvega tudi v Jugoslaviji.
Princip delovanja in uporaba
Analogni računalniki računajo z analognimi oziroma zveznimi podatki. Podatke lahko predstavljajo s pomočjo fizikalnih lastnosti pojavov v elektromehanskih, hidravličnih ali elektronskih sistemih. V vseh primerih so njihove analogne predstavitve omejene glede natančnosti, vendar pa so bile v času pred razmahom digitalnih računalnikov še vedno dovolj natančne za reševanje številnih znanstvenih problemov nerešljivih z drugimi dostopnimi metodami. Odlika analognih računalnikov je njihova odzivnost in sposobnost hkratnega procesiranja.
Odziv analognih računalnikov na spremembe računanih količin je običajno takojšenj, zato so posebej uporabni pri simulaciji ali modeliranju dinamičnih sistemov v realnem času. Analogni in hibridbni računalniki na tem področju dolgo časa niso imeli konkurence. Zelo uporabni so bili za simulacije velikih električnih omrežij ali drugih zapletenih struktur, na primer v nuklearni fiziki in kemiji, za simulacije letalskih in vesoljskih poletov, simulacijo zapletenih mehanskih sistemov, ki so dragi za izdelavo in jih je težko preizkušati v živo.
V začetnem obdobju razvoja računalništva je prevladovalo mnenje, da imajo analogni računalniki večji razvojni potencial kot digitalni, vendar pa so z inovativnimi koncepti prednosti slednjih navsezadnje prevladale. Analogni računalniki niso primerni za natančno in vsestransko računanje. Splošno uporabni analogni računalniki so pravtako zelo dragi. Digitalni računalniki pa se ponašajo ravno z izredno prilagodljivostjo, univerzalnostjo in natančnostjo. Razen za posebne namene so digitalni računalniki postopno skoraj povsem nadomestili analogne.
Mehanski analogni računalniki
Zgodnji mehanski analogni računalniki so računali s pomočjo vrtljivih gredi, ki so posamezne količine predstavljale s hitrostjo vrtenja. Gred, ki jo je motor poganjal neposredno, je predstavljala neodvisno spremenljivko, na primer čas. Druge gredi je motor poganjal s spremenljivo hitrostjo prek različnih mehanizmov tako da so predstavljale izpeljane spremenljivke. Najpomembnejši izmed teh mehanizmov v mehanskih analognih računalnikov so bili tako imenovani integratorji.
Integratorji so sestavljeni iz vrteče plošče, ki je pritrjena na vrtečo gred in kolesca, ki se je dotika tako, da ga njeno vrtenje poganja. Položaj kolesca glede na središče plošče se lahko dinamično spreminja in s tem hitrost njegovega vrtenja. Kombinacije takšnih medsebojno povezavnih integratorjev so lahko zelo enostavno grafično izračunavale integrale ali odvode krivulj. Tipične napake mehanskih analognih računalnikov so se gibale nekje okrog 2%.
Elektronski analogni računalniki
V štiridesetih so začeli nastajati prvi elektronski analogni računalniki, tudi manjši vgradljivi, ki so s pomočjo giroskopov na primer lahko skrbeli za stabilnost in smer leta raket. Elektronski analogni računalniki so računali s pomočjo fizikalnih količin kot so električna napetost, tok in upornost. S pomočjo preciznih potenciometrov so na računalniku lahko določili te količine tako da so predstavljale ustrezne vhodne podatke reševanega problema.
Najpomembnejši sestavni deli elektronskih analognih računalnikov so bili njihovi operacijski ojačevalniki. V različnih kombinacijah so omogočali izvajanje številnih osnovnih aritmetičnih operacij kot so seštevanje, množenje, inverzija, integracija, eksponentizacija in logaritmizacija. Drugi pomembni sestavni deli elektronskih analognih računalnikov so bili različni generatorji funkcij, modulatorji in filtri.
Prvi analogni računalniki v Jugoslaviji
Prvi mehanski analogni računalnik v Jugoslaviji so izdelali na Inštitutu Borisa Kidriča (IBK) v Beogradu že okrog leta 1949 za uporabo v elektroenergetiki. Njihov analogni analizator omrežja je bil takrat ena izmed prvih desetih uporabnih naprav te vrste na svetu, kmalu pa so sledile še druge naprave, ki so bile izdelane že v elektronski tehniki. Leta 1951 naprava, ki je lahko reševala sisteme z do 30 linearnimi enačbami in leta 1952 naprava za reševanje diferencialnih enačb.
Razvoj teh naprav so narekovale predvsem ambicije jugoslovanske vojske in njenega jedrskega programa. Tehnologijo razvito na inštitutu so praktično takoj uporabili za izdelavo naprav primernih pri usmerjanju izstrelkov. Izpopolnitev merilnih, regulacijskih in računskih naprav pa je zahtevala tudi jedrska fizika za pomoč pri študiju, konstrukciji in upravljanju reaktorjev, ter pri razvoju jedrskega orožja.
Okrog leta 1952 so se na IBK že usmerili v načrtovanje prvega digitalnega elektronskega računalnika, zato se je dejavnost na področju analognega računalništva zmanjšala. Z njegovo izdelavo so začeli nekje leta 1956 in je potekala do konca petdesetih. Leta 1960 pa so nato namestili tudi enega izmed najbolj uspešnih elektronskih analognih računalnikov petdesetih EAI Pace 231, ki je bil izdelan v tehnologiji vakuumskih elektronk. To je bil zmogljiv in zelo vsestranski analogni računalnik.
Danes je računalnik EAI Pace 231 razstavljen v Muzeju znanosti in tehnike v Beogradu.
Analogni elektronski računalnik M-1
Z računalništvom se je pri nas konec petdesetih ukvarjalo le nekaj ljudi na oddelku za šibki tok Fakultete za elektrotehniko in nekaj ljudi na oddelku za elektroniko Nuklearnega inštituta Jožef Stefan. V njihovem laboratoriju za elektroniko so pod vodstvom prof.dr. Franceta Bremšaka razvijali elektronske merilne in upravljalne inštrumente za uporabo v jedrski fiziki. Njihova dejavnost je bila takrat med najbolj naprednimi v Jugoslaviji.
V letih 1957/58 so zgradili celo svoj lasten elektronski analogni računalnik imenovan M-1 in ga nato leta 1959 še nadgradili. To je bil prvi domači in prvi elektronski računalnik v Sloveniji, četudi analogni. Takšni elektronski analogni računalniki so bili takrat razmeroma redki tudi drugje v svetu. Izdelan je bil namreč v čisto novi tranzistorski tehniki in tehniki tiskanih vezij.
Z njim so na oddelku želeli simulirati dinamične odzive jedrskega reaktorja na regulacijo obratovalnih pogojev. M-1 ni bil univerzalni računalnik. Njegova uporaba je bila omejena predvsem na linearne differencialne enačbe s spremenljivimi in nespremenljivimi vrednostmi. Nato je računalnik služil tudi Matematičnemu centru SRS, kjer so si z njim pomagali pri reševanju nekaterih matematičnih in tehničnih problemov za naročnike iz industrije in ustanov, med drugim tudi za JLA. Uporabljali so ga na primer na področju projektiranja v elektrotehniki, strojništvu, letalstvu, gradbeništvu, fiziki, kemiji.
Računalnik M-1 je bil sestavljen iz 44 operacijskih ojačevalnikov, ki so se večinoma uporabljali kot integratorji (28) in seštevalniki oziroma inverterji (16), pa tudi kot množilniki in funkcijski generatorji. Računalnik je imel še 32 potenciometrov za nastavljanje koeficientov in začetnih pogojev, različne programske in nadzorne plošče za uravnavanje delovanja, ter merilne enote za prikazovanje rezultatov. Rezultate je lahko zapisoval tudi v obliki krivulj na širokem traku.
Danes je del računalnika M-1 razstavljen v Muzeju Fakultete za elektrotehniko v Ljubljani.
Elektronski 120-kanalni impulzni analizator
V laboratoriju za elektroniko so za izdelavo računalnika M-1 in ostalih inštrumentov večinoma uporabili domač material. Dela so se lotili sistematično in so razvili vrsto standardnih funkcionalnih elektronskih enot, ki so jih lahko uporabili v različnih merilnih, regulacijskih in krmilnih sistemih. Izdelali so jih v obliki vtičnih enot, s čimer so olajšali menjavo v primeru okvare.
Poleg računalnika M-1 je med napravami, ki so jih sestavili s pomočjo teh standardnih enot, posebne omembe vreden tudi njihov 120-kanalni impulzni analizator. To je bila svojevrstna elektronska naprava, ki je lahko popolnoma avtomatizirano opravila delo 120 običajnih števcev za merjenje energijskih spektrov radioaktivnih izotopov. Uporabna je bila tudi v jedrski medicini, za fizikalne meritve pri raziskavah tal, raziskavah vibracij v industriji in podobno.
Namizni elektronski analogni računalnik TARA-50
V beograjskem Inštitutu Mihajlo Pupin (IMP) so začeli v tem času razvijati lasten tranzistorski analogni računalnik TARA-50. Na IMP so konec petdesetih prenesli vso takratno dejavnost na področju računalniškega razvoja in proizvodnje.
TARA-50 je bil manjši namizni računalnik namenjen za iterativno reševanje integralskih enačb. Prvega so izdelali do leta 1964 za beograjski Inštitut za prostorsko načrtovanje, kjer so si z njim pomagali pri izgradnji oziroma načrtovanju vodovodne infratrukture. En računalnik TARA-50 z dodatnimi hibridnimi zmogljivostmi pa so nato izdelali še za Univerzo v Novem Sadu, kjer je služil za pedagoške namene in izdelavo prvega domačega učbenika o analognem računalništvu.
.. zbral in sestavil Miha Urh
Več o tem
Povezan članek v seriji Prvi računalniki: Hibridno računalništvo
Povezan članek v seriji Avtomatika: Avtomatika
Naslednji članek v seriji Prvi računalniki: Digitalno računalništvo
Nekaj virov
Slovenski poročevalec (01.11.1958, letnik 19, številka 258) (LINK) | Delo (21.10.1959, letnik 1, številka 171) (LINK) | Delo (21.08.1960, letnik 2, številka 228) (LINK) | Delo (16.10.1960, letnik 2, številka 284) (LINK) | Delavska enotnost (20.05.1961, letnik 20, številka 20) (LINK) | Slovenska biografija: France Bremšak (LINK) | Fakulteta za elektrotehniko: Spominsko srečanje ob stoti obletnici (LINK)
Marko Miljković: CER Computers as weapons of mass disruption (LINK) | Božidar Radenkovič et al.: Development of analog, digital and hybrid computing in Serbia 1950-70 (LINK) | Brošura EAI Pace 231R analog computer (LINK) | EAI Pace 231R, A practical approach to analog computers (LINK)
Anton Suhadolc: Pregled tipov diferencialnih enačb, ki se dajo rešiti z analognim računskim strojem NIJS, 1959 (COBISS) | France Križanič: Elektronski aritmetični računalnik, 1960 (COBISS)