حاسوب أتاناسوف-بيري

كان حاسوب أتاناسوف-بيري ( ABC ) أول حاسوب رقمي إلكتروني أوتوماتيكي . ^{[ 1 ]} إلا أن قدراته كانت محدودة بتقنيات ذلك الوقت. ويُثار جدل بين مؤرخي تكنولوجيا الحاسوب حول أسبقية حاسوب ABC، لأنه لم يكن قابلاً للبرمجة ، ولم يكن كاملاً من حيث قدرة تورينج . ^{[ 2 ]} ويُعتبر حاسوب ABC، وفقًا للعرف، أول وحدة حسابية منطقية إلكترونية (ALU ) ، وهي وحدة مُدمجة في تصميم كل معالج حديث. 

تمثلت مساهمته الفريدة في تسريع الحوسبة لكونه أول من استخدم الصمامات المفرغة لإجراء العمليات الحسابية. قبل ذلك، استُخدمت طرق كهروميكانيكية أبطأ في حاسوب كونراد تسوزه Z1 ، وحاسوب هارفارد مارك 1 الذي طُوّر في الوقت نفسه . أما أول آلة إلكترونية رقمية قابلة للبرمجة، ^{[ 3 ]} وهو حاسوب كولوسوس الذي استُخدم من عام 1943 إلى عام 1945، فقد استخدم تقنية مماثلة تعتمد على الصمامات المفرغة كما في حاسوب ABC.

تم تصميم هذا الجهاز عام 1937، وقام ببنائه أستاذ الرياضيات والفيزياء في كلية ولاية آيوا، جون فنسنت أتاناسوف، بمساعدة طالب الدراسات العليا كليفورد بيري . صُمم الجهاز لحل أنظمة المعادلات الخطية فقط ، وتم اختباره بنجاح عام 1942. مع ذلك، لم تكن آلية تخزين النتائج الوسيطة، وهي عبارة عن قارئ/كاتب بطاقات ورقية، مكتملة، وعندما غادر جون فنسنت أتاناسوف كلية ولاية آيوا للمشاركة في مهام الحرب العالمية الثانية، توقف العمل على الجهاز. ^{[ 4 ]} قدّم جهاز ABC عناصر مهمة في الحوسبة الحديثة، بما في ذلك الحساب الثنائي وعناصر التبديل الإلكترونية ، ^{[ 5 ]} لكن طبيعته الخاصة وافتقاره إلى برنامج قابل للتغيير والتخزين يميزانه عن أجهزة الكمبيوتر الحديثة. حصل الجهاز على لقب " معلم بارز" من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) عام 1990. ^{[ 6 ]}

لم يُعرف عمل أتاناسوف وبيري في مجال الحوسبة على نطاق واسع حتى أُعيد اكتشافه في ستينيات القرن العشرين، وسط نزاعات براءات الاختراع حول أول نموذج للحاسوب الإلكتروني. في ذلك الوقت ، كان يُعتبر جهاز ENIAC ، الذي ابتكره جون موشلي وج . بريسبر إيكرت ، ^{[ 7 ]} أول حاسوب بالمعنى الحديث، ولكن في عام 1973، أبطلت محكمة مقاطعة أمريكية براءة اختراع ENIAC وخلصت إلى أن مخترعي ENIAC قد استقوا فكرة الحاسوب الرقمي الإلكتروني من أتاناسوف. عندما رُفعت السرية المحيطة بتطوير البريطانيين لحواسيب كولوسوس خلال الحرب العالمية الثانية ، والتي سبقت ENIAC، ^{[ 8 ] [ 9 ]} ووُصفت كولوسوس في مؤتمر في لوس ألاموس، نيو مكسيكو ، في يونيو 1976، نُقل عن جون موشلي وكونراد زوس دهشتهما. ^{[ 10 ]}

بحسب رواية أتاناسوف، فقد انبثقت عدة مبادئ أساسية لحاسوب أتاناسوف-بيري من إلهام مفاجئ بعد رحلة ليلية طويلة بالسيارة إلى روك آيلاند، إلينوي ، خلال شتاء 1937-1938. وشملت ابتكارات هذا الحاسوب الحوسبة الإلكترونية، والحساب الثنائي، والمعالجة المتوازية ، وذاكرة المكثفات المتجددة ، وفصل وظائف الذاكرة عن الحوسبة. ^{[ 11 ]} وقد عمل أتاناسوف على التصميم الميكانيكي والمنطقي خلال العام التالي. وفي مارس 1939، قُدِّم طلب منحة لبناء نموذج أولي لإثبات المفهوم إلى قسم الزراعة ، الذي كان مهتمًا أيضًا بتسريع الحوسبة لأغراض التحليل الاقتصادي والبحثي. وجاء تمويل إضافي بقيمة 5000 دولار ( ما يعادل 116000 دولار في عام 2025 ) لإكمال الجهاز من مؤسسة الأبحاث غير الربحية في مدينة نيويورك.

قام أتاناسوف وبيري ببناء جهاز ABC في قبو مبنى الفيزياء بكلية ولاية أيوا بين عامي 1939 و1942. تم صرف التمويل الأولي في سبتمبر، وعُرض النموذج الأولي ذو الـ 11 أنبوبًا لأول مرة في أكتوبر 1939. وأدى عرضٌ أُجري في ديسمبر إلى الحصول على منحة لبناء الجهاز بالحجم الكامل. ^{[ 12 ] [ 13 ]} استمر بناء جهاز ABC واختباره على مدى العامين التاليين. وفي 15 يناير 1941، أعلنت صحيفة دي موين ريجستر عن جهاز ABC باعتباره "آلة حاسوب كهربائية" تضم أكثر من 300 أنبوب مفرغ، قادرة على "حساب المعادلات الجبرية المعقدة" (لكنها لم تقدم وصفًا تقنيًا دقيقًا للحاسوب). كان وزن النظام يزيد عن 320 كيلوغرامًا (700 رطل) . واحتوى على ما يقارب 1.6 كيلومتر (ميل واحد ) من الأسلاك، و280 أنبوبًا مفرغًا ثنائيًا ثلاثيًا ، و31 صمامًا ثايراترونيًا ، وكان بحجم مكتب تقريبًا.  

لم يكن قابلاً للبرمجة، مما يميزه عن الآلات الأكثر عمومية في نفس الحقبة، مثل جهاز كونراد تسوز Z3 لعام 1941 (أو الإصدارات السابقة) وأجهزة كمبيوتر كولوسوس في الفترة من 1943 إلى 1945. كما أنه لم يطبق بنية البرنامج المخزن ، التي تم تطبيقها لأول مرة في جهاز مانشستر بيبي عام 1948، واللازمة لأجهزة الحوسبة العملية ذات الأغراض العامة بالكامل.

لكن الآلة كانت أول من قام بتنفيذ ما يلي:

1. باستخدام أنابيب مفرغة بدلاً من العجلات أو التروس أو المفاتيح الميكانيكية أو مرحلات الهاتف، مما يسمح بسرعة أكبر من أجهزة الكمبيوتر السابقة
2. استخدام المكثفات للذاكرة بدلاً من المكونات الميكانيكية، مما يسمح بسرعة وكثافة أكبر

كانت ذاكرة حاسوب أتاناسوف-بيري نظامًا يُسمى ذاكرة المكثفات المتجددة ، ويتألف من أسطوانتين، تحتوي كل منهما على 1600 مكثف تدور على محور مشترك مرة واحدة في الثانية. رُتبت المكثفات على كل أسطوانة في 32 "حزمة" من 50 مكثفًا (30 حزمة فعالة وحزمتان احتياطيتان في حال تعطل أحد المكثفات)، مما منح الجهاز سرعة 30 عملية جمع/طرح في الثانية. كانت البيانات تُمثل بأعداد ثنائية ثابتة النقطة مكونة من 50 بت . ويمكن لدوائر الذاكرة والحساب الإلكترونية تخزين ومعالجة 60 عددًا من هذا النوع في وقت واحد (3000  بت).

كان تردد خط الطاقة للتيار المتردد البالغ 60 هرتز هو معدل الساعة الأساسي للعمليات ذات المستوى الأدنى. 

كانت وظائف الحساب والمنطق إلكترونية بالكامل، ومُنفذة باستخدام الصمامات المفرغة. وتراوحت عائلة البوابات المنطقية من العواكس إلى البوابات ذات المدخلين والثلاثة مداخل. وكانت مستويات الإدخال والإخراج وفولتية التشغيل متوافقة بين البوابات المختلفة. وتتكون كل بوابة من مُضخِّم عاكس واحد يعمل بالصمامات المفرغة، مسبوقًا بشبكة إدخال مُقسِّم مقاومة تُحدد الوظيفة المنطقية. أما وظائف منطق التحكم، التي لا تحتاج إلا إلى التشغيل مرة واحدة لكل دورة أسطوانة، وبالتالي لا تتطلب سرعة إلكترونية، فكانت كهروميكانيكية، ومُنفذة باستخدام المرحلات .

كانت وحدة الحساب والمنطق تعمل على بت واحد فقط من كل رقم في كل مرة ؛ وكانت تحتفظ ببت الحمل/الاستعارة في مكثف لاستخدامه في دورة التيار المتردد التالية. ^{[ 14 ]}

على الرغم من أن حاسوب أتاناسوف-بيري شكّل نقلة نوعية مقارنةً بآلات الحساب السابقة، إلا أنه لم يكن قادراً على حلّ المسألة بالكامل تلقائياً. فقد كان لا بدّ من وجود مُشغّل لتشغيل مفاتيح التحكم لضبط وظائفه، تماماً كما هو الحال في الآلات الحاسبة الكهروميكانيكية وأجهزة تسجيل الوحدات في ذلك الوقت. وكان اختيار العملية المراد تنفيذها، سواءً كانت قراءة أو كتابة أو تحويل من النظام الثنائي إلى النظام العشري أو اختزال مجموعة من المعادلات، يتم عبر مفاتيح اللوحة الأمامية، وفي بعض الحالات، باستخدام وصلات توصيل.

كان هناك نوعان من المدخلات والمخرجات: مدخلات ومخرجات المستخدم الأساسية، ومخرجات ومدخلات النتائج الوسيطة. سمح تخزين النتائج الوسيطة بمعالجة مسائل أكبر من أن تُعالج بالكامل داخل الذاكرة الإلكترونية. (أكبر مسألة يمكن حلها دون استخدام المدخلات والمخرجات الوسيطة هي معادلتان آنيتان ، وهي مسألة بسيطة).

كانت النتائج الوسيطة ثنائية، تُكتب على أوراق عن طريق تعديل المقاومة كهربائيًا في 1500 موقع لتمثيل 30 رقمًا من أصل 50 رقمًا (معادلة واحدة). يمكن كتابة أو قراءة كل ورقة في ثانية واحدة. كانت موثوقية النظام محدودة بخطأ واحد تقريبًا لكل 100,000 عملية حسابية تُجرى بهذه الوحدات، ويعزى ذلك أساسًا إلى عدم التحكم في خصائص مادة الأوراق. بالنظر إلى الماضي، كان من الممكن أن يكون الحل هو إضافة بت تكافؤ لكل رقم عند كتابته. لم تُحل هذه المشكلة بحلول الوقت الذي غادر فيه أتاناسوف الجامعة للعمل في مجال الحرب.

كان إدخال المستخدم الأساسي عشريًا، عبر بطاقات IBM القياسية ذات 80 عمودًا ، وكان الإخراج عشريًا، عبر شاشة اللوحة الأمامية.

صُممت آلة ABC لغرض محدد ، وهو حل أنظمة المعادلات الخطية الآنية. كانت قادرة على التعامل مع أنظمة تصل إلى 29 معادلة، وهو ما كان يُعدّ مشكلة معقدة في ذلك الوقت. وقد أصبحت مسائل بهذا الحجم شائعة في الفيزياء، القسم الذي كان يعمل فيه جون أتاناسوف. كان بالإمكان إدخال معادلتين خطيتين، تحتوي كل منهما على 29 متغيرًا وحد ثابت، إلى الآلة، ثم حذف أحد المتغيرات. تُكرر هذه العملية يدويًا لكل معادلة، مما ينتج عنه نظام معادلات بمتغير أقل. ثم تُكرر العملية برمتها لحذف متغير آخر. 

من المرجح أن يكون جورج دبليو سنيديكور ، رئيس قسم الإحصاء في جامعة ولاية أيوا، أول من استخدم الحاسوب الرقمي الإلكتروني لحل مسائل رياضية واقعية. وقد قدم العديد من هذه المسائل إلى أتاناسوف. ^{[ 15 ]}

في 26 يونيو 1947، كان ج. بريسبر إيكرت وجون موشلي أول من تقدم بطلب للحصول على براءة اختراع لجهاز حاسوب رقمي ( ENIAC )، الأمر الذي أثار دهشة أتاناسوف. كان جون موشلي قد فحص جهاز ABC في يونيو 1941، وادعى إسحاق أورباخ، ^{[ 16 ]} وهو طالب سابق لموشلي، أن جهاز ABC أثر على عمله اللاحق على جهاز ENIAC، على الرغم من أن موشلي نفى ذلك. ^{[ 17 ]} لم تُمنح براءة اختراع ENIAC حتى عام 1964، وبحلول عام 1967، رفعت شركة هانيويل دعوى قضائية ضد شركة سبيري راند في محاولة لكسر براءات اختراع ENIAC، بحجة أن جهاز ABC يُعدّ من التقنيات السابقة . أصدرت محكمة الولايات المتحدة للمنطقة القضائية في مينيسوتا حكمها في 19 أكتوبر 1973، حيث خلصت في قضية هانيويل ضد سبيري راند إلى أن براءة اختراع ENIAC مشتقة من اختراع جون أتاناسوف.

يخلص كامبل كيلي وأسبري إلى ما يلي: ^{[ 18 ]}

لا يزال مدى استعانة ماوكلي بأفكار أتاناسوف غير معروف، والأدلة كثيرة ومتضاربة. كانت تقنية ABC متواضعة للغاية، ولم تُطبّق بالكامل. على أقل تقدير، يمكننا استنتاج أن ماوكلي أدرك الأهمية المحتملة لتقنية ABC، وأن هذا ربما دفعه إلى اقتراح حل إلكتروني مماثل.

تمّ حلّ القضية قانونيًا في 19 أكتوبر 1973، عندما  قضى قاضي المحكمة الجزئية الأمريكية إيرل ر. لارسون ببطلان براءة اختراع جهاز إينياك، مُقرًا بأنّ إينياك استمدّ العديد من الأفكار الأساسية من حاسوب أتاناسوف-بيري. وقد صرّح القاضي لارسون صراحةً بما يلي:

لم يخترع إيكرت وماوكلي الحاسوب الرقمي الإلكتروني الآلي بأنفسهما، بل استمدّوا هذا الموضوع من الدكتور جون فنسنت أتاناسوف.

كتب هيرمان جولدستين ، أحد المطورين الأصليين لجهاز ENIAC: ^{[ 19 ]}

فكّر أتاناسوف في تخزين معاملات المعادلة في مكثفات موضوعة على محيط أسطوانة. ويبدو أنه كان لديه نموذج أولي لجهازه يعمل "في أوائل عام 1940". ويُعدّ هذا الجهاز، كما تجدر الإشارة، على الأرجح أول استخدام للصمامات المفرغة لإجراء الحسابات الرقمية، وكان جهازًا ذا غرض خاص. لم يُكتب لهذا الجهاز أن يُستخدم كأداة جادة للحسابات، نظرًا لكونه سابقًا لأوانه من الناحية الهندسية ومحدودًا من الناحية المنطقية. ومع ذلك، يجب اعتباره جهدًا رائدًا عظيمًا. ولعل أهميته الرئيسية تكمن في تأثيره على فكر الفيزيائي جون دبليو ماوكلي، الذي كان مهتمًا جدًا بالعمليات الحسابية. خلال فترة عمل أتاناسوف على جهازه لحل المعادلات الخطية، كان ماوكلي في كلية أورسينوس، وهي كلية صغيرة في ضواحي فيلادلفيا. بطريقة ما، اطلع على مشروع أتاناسوف وزاره لمدة أسبوع في عام 1941. وخلال الزيارة، ناقش الرجلان أفكار أتاناسوف بتفصيل كبير. وقد أثر هذا النقاش بشكل كبير على ماوكلي، ومن خلاله على تاريخ الحواسيب الإلكترونية بأكمله.

تم تفكيك نظام ABC الأصلي في النهاية في عام 1948، ^{[ 20 ]} عندما حولت الجامعة الطابق السفلي إلى فصول دراسية، وتم التخلص من جميع أجزائه باستثناء أسطوانة ذاكرة واحدة.

في عام ١٩٩٧، انتهى فريق من الباحثين بقيادة ديلوين بلوهم وجون غوستافسون من مختبر أميس (الواقع في حرم جامعة ولاية آيوا) من بناء نسخة طبق الأصل عاملة من حاسوب أتاناسوف-بيري بتكلفة ٣٥٠ ألف دولار (ما يعادل ٧٠٢ ألف دولار في عام ٢٠٢٥ ). ^{[ ٢١ ]} عُرضت نسخة الحاسوب في ردهة الطابق الأول بمركز دورهام للحوسبة والاتصالات في جامعة ولاية آيوا، ثم عُرضت لاحقًا في متحف تاريخ الحاسوب . ^{[ ٢٢ ]}

• تاريخ أجهزة الحوسبة
• قائمة أجهزة الكمبيوتر التي تعمل بالصمامات المفرغة
• ميخائيل كرافتشوك

• ميلاد الأبجدية
• إعادة بناء ABC، 1994-1997
• جون غوستافسون، إعادة بناء حاسوب أتاناسوف-بيري
• محاكمة براءة اختراع إينياك
• هانيويل ضد سبيري راند ريكوردز، 1846-1973 ، معهد تشارلز باباج ، جامعة مينيسوتا.
• تشغيل حاسوب أتاناسوف-بيري (يوتيوب)