DontPayFull.com

LABORATORUL STIINTIFIC DE CALCUL WATSON

Un Centru pentru Cercetare Stiintifica folosind masini de calcul

In ultimii ani s-au facut progrese importante in toate domeniile de cercetare stiintifica, iar un factor major in aceasta avansare a fost utilizarea pe scara larga a metodelor si echipamentelor de calcul automate. In prezent operatinea de calcul este efectuata automat in laboratoare in intreaga tara. Dezvoltarea acestor laboratoare de calcul prezinta interes special pentru studentii Universitatii Columbia, deoarece cele mai timpurii laboratoare de calcul au fost infiintate la aceasta universitate. Biroul de Statistica al Universitatii Columbia a fost stabilit la sfarsitul anilor '20 pentru a deservi cadrele didactice si statisticienii. Biroul Astronomic, creat în 1934, sub conducerea Dr. W.J. Eckert si exploatat in comun de catre Universitatea Columbia, Societatea Astronomica Americana si compania "International Business Machines "-IBM, a funcționat ca o organizație non-profit, la care astronomii din întreaga lume puteau apela pentru efectuarea calculelor. In 1945, IBM a creat un Departament de Stiinta Pura (Department of Pure Science), a numit pe Dr. Eckert ca director si a fondat Laboratorul de Calcul Stiintific Watson in campusul Universitătii.

.

Scopul principal al laboratorului Watson este de cercetare în diferite ramuri ale stiintei, in special cele care implica matematica aplicata si calcul numeric. Serviciile laboratorului sunt oferite gratuit oricarui om de stiinta sau student absolvent angajat in cercetare, care aduce o contributie semnificativa la progresul în domeniile stiintifice, si care utilizeaza masini de calcul pentru a atinge acest scop. In fiecare an, 2 burse de cercetare "Laboratorul Watson" in domeniul matematicii aplicate sunt acordate studentilor al caror studiu de cercetare implica calcule pe scara larga. Membrii personalului ofera cursuri de instruire în domeniul lor de specialitate sub tutela diferitelor departamente ale Universității. Cursuri pentru studentii absolventi includ operarea si utilizarea masinilor si metodele numerice; credite academice pentru cursuri pot fi obtinute prin inregistrarea la Universitate in mod obisnuit. Cursuri speciale in domeniul operarii masinilor de calcul sunt disponibile la intervale regulate pentru profesionisti din domeniu, pentru oameni de stiinta din întreaga lume si studenti absolventi care lucreaza la proiectul de doctorat. O functie suplimentara a Laboratorului Watson este raspandirea de informatii tehnice privind metodele de lucru cu masini de calcul si tabele matematice; o biblioteca cuprinzatoare privind aceste subiecte este disponibila.

.

Cercetarea a fost finalizata cu succes in multe domenii ale stiintei in cadrul laboratorului de catre membrii personalului si oameni de stiinta colaboratori. Mai jos este o lista partiala a proiectelor finalizate sau in curs de desfasurare:

Astronomie: integrarea orbitele planetelor si asteroizilor,
Geofizica: urmarirea traiectoriilor undelor sonore sub apa pentru diferite adancimi si directii,
Optica: calcule care incorporeaza metoda de urmarire a razelor,
Chimia: calculul energiilor cuantice de rezonanta mecanica ale compusilor aromatici,
Inginerie: alcatuirea de tabele de tolerante si calcule de eforturi asociate la cutremure,
Economie: estimari ale anumitor coeficienti din ecuatiile modelelor economice, folosind matrice de multiplicare si de inversare,
Fizica: calcularea probabilitătilor tranzitiei calciului,
Cristalografie: evaluarea unei transformate Fourier pentru structura de insulina

Laboratorul pastreaza o mare varietate de masini, atat digitale cat si analogice; echipamentul digital este in mod esential pentru numarare, in timp ce echipamentul analogic face masuratori fizice. Aceste calculatoare sunt proiectate pentru a rezolva problemele în modul cel mai rapid si pentru a compara diferite metode de solutionare pentru a determina pe cea mai eficienta.

Cele mai multe dintre echipamente citesc si scrie prin utilizarea cartelei perforate care reprezinta un mijloc de manipulare a datelor in mod automat. Cardurile pot fi astfel prelucrate prin orice serie de calculatoare si sa aiba orice secventa dorita de operatii efectuata asupra lor. Avantajul principal al tehnicii cu cartela perforata este faptul ca un numar mare de operatii similare pot fi efectuate in cantitate mare. Dupa perforarea valorilor initiale pe cartela, procedura masinii este automata. Stantarea poate avea loc in oricare dintre cele optzeci de coloane ale cardului. Fiecare coloana este impartita in douasprezece pozitii distincte, ceea ce reprezinta numerele intregi de la 0 la 9 precum si doua pozitii perforate mentionate ca X și Y. Perforarea X este utilizata in special pentru a desemna o operatiune speciala sau un numar negativ. Literele alfabetului sunt inregistrate folosind doua perforatii intr-o coloana, o combinație de X, Y, sau 0, cu oricare dintre numerele intregi de la 1 pana la 9 (vezi fig. 1).

Figura 1. Card tabelar care prezinta 12 pozitii de perforare si combinatii de perforari care indica litere.

In toate echipamentele principiul de citire a cartelei este acelasi. Gaurile sunt perforate in cartele si sunt citite prin intermediul contactelor electrice realizate prin gauri. Cartela, care actioneaza ca un izolator, trece printre o perie metalica si o rola de alama (vezi fig. 2).

O gaura perforata in card permite periei și rolei sa faca contact electric, inchizand astfel un circuit electric; impulsul electric este pus transmis pe un panou de control conectabil, si momentul impulsului este determinat de pozitia gaurii pe card. Toate functiile masinii sunt dictate de directia acestor impulsuri de pe panoul de control, si ca urmare a flexibilitătii acestui panou, un numar mare de operatiuni pot fi efectuate. Un procent mare din problemele intalnite în calculul numeric pot fi rezolvate in mod eficient cu ajutorul echipamentelor IBM. Primul pas in rezolvarea acestor probleme este de a traduce datele originale în limbajul calculatorului. Asta inseamna sa-l inregistreze sub forma de gauri perforate pe cartele. Aceasta este functia de Punch Key. Informatia dorita este transcrisa pe cartela prin apasarea tastelor de pe masina, in conformitate cu coloana corespunzatoare. Aceste cartele pot fi introduse în Key Punch fie manual, fie automat. Pe masura ce fiecare coloana este perforata, cartela avanseaza automat la urmatoarea pozitie de perforare. Poansoanelor numerice au paisprezece chei; una pentru fiecare dintre cele douasprezece pozitii de perforare, o cheie de spatiu si o cheie carte de scoatere. Poansoanelor alfabetice au, în plus, o tastatura de scris care perforeaza automat doua gauri pe coloana. Dupa ce a fost codat de Punch Key, cartelele sunt gata pentru trecerea prin oricare dintre celelalte automate necesare pentru rezolvarea problemei.

Sortatorul este utilizat pentru a aranja cartele perforate in orice ordine numerica sau alfabetica dorita in functie de informatiile de pe ele. Cardurile care urmeaza să fie sortate sunt alimentate dintr-un sertar la o singură perie, care citeste coloana selectata si aranjeaza fiecare cartela in buzunarul corespunzator dintre cele treisprezece disponibile. Exista un buzunar pentru fiecare din cele douasprezece pozitii de perforare si unul pentru coloanele goale. Prin aranjari succesive, cartelele sunt aranjate in orice ordine dorita. Masina, care functioneaza la o viteză de 450 de carduri pe minut, este echipata cu un contor pentru a inregistra numarul de carduri care trece prin aceasta.

.

Interpretorul Alfabetic este conceput pentru a traduce informatia numerica sau alfabetica de pe cartela in cifre imprimate pe oricare dintre cele două linii din partea de sus a cardului. Astfel, cartela perforata este mai usor de citit si poate fi folosita ca un fisier precum si în masina.

Masina de contabilizare este un echipament de mare viteza pentru insumare si imprimare. Aceasta citeste datele de pe un card, le insumeaza sau le scade din numarator si imprima pe o foaie de hartie informatii de pe cartele sau totalul de contoare. Aparatul listeaza date alfabetice sau numerice, la viteza de optzeci de cartele pe minut sau acumuleaza pana la 80 de digiti de pe 150 de cartele pe un minut.

Reproducatorul de perforatii transcrie integral sau partial datele perforate de pe un set de cartele de pe un alt set de cartele sau copiaza de la o cartela de tip master pe un grup de cartele. Perforatorul are o unitate de comparare care compara cele doua seturi de date si indica orice dezacord intre cele doua. Masina poate fi adaptata pentru utilizare ca un sumator pentru a inregistra pe un cartela noua datele care au fost acumulate în Mașina de Contabilizare.

Collator-ul efectueaza unele dintre functiile Sortatorului intr-un mod mai eficient. Acesta aseaza doua seturi de cartele impreuna, selecteaza cartelele special in oricare din cele patru buzunare de selectie, potriveste doua seturi de cartele in functie de un numar de control si verifica secventa unui set de cartele. Masina este foarte flexibila si permite manipularea cartelelor in conformitate cu un model complicat care implica compararea a doua numere de control. Cartelele pot trece prin Collator la rata de 240 pana la 480 pe minut.

Perforatorul Electronic de Calcul este o masină de mare viteza care utilizeaza circuite electronice pentru efectuarea tuturor operatiunilor de baza. Aceasta adauga, scade, multiplica si imparte numerele introduse in ea pe un card si perforeaza raspunsurile pe aceeasi cartela sau pe alta cartela. Aceasta efectueaza aceste operatiuni in mod repetitiv si in orice ordine intr-o fractiune de secunda. Perforatorul citeste datele perforate pe o cartela si efectueaza adunari, scaderi, inmultiri si impartiri in orice ordine dorita. Rezultatele fiecarei operatii pot fi perforate pentru fiecare calcul sau pot fi stocate si utilizate pentru urmatoarele calcule. Aceasta masina a calculat diferentele de ordinul opt ale unei functii de unsprezece cifre si multe ecuatii complicate care implica un numar mare de operatii

.

Calculatorul cu relee efectueaza toate operatiile aritmetice de baza, inclusiv determinarea radacinii patrate printr-o retea complicata de relee. Flexibilitatea extrema a acestui calculator se datoreaza memoriei sale interne mari, vitezei sale de calcul, capacitatii sale de a citi simultan patru cartele si de a perfora pe a cincea si capacitatii de functionare in cadrul unui program amplu și variat. Masina este echipata cu un circuit de colectare pentru a facilita operatiunile tabelare. Un numar mare de probleme complicate au fost rezolvate pe un calculator cu relee, inclusiv multiplicarea seriilor armonice, multiplicarea matricilor si a ecuatii diferentiale de ordinul sase.

Calculatorul Secvential Operat cu Cartele consta dintr-o masina de contorizare care citeste, insumeaza, scade si stocheaza datele, un Sumator care perforeaza valorile finale, o cutie cu relee pentru a asigura o flexibilitate de control al operatiunilor si o unitate care efectueaza inmultiri si impartiri. Operatiile celorlalte calculatoare sunt, de obicei programate prin cablajul de pe panoul de control, in timp ce aceasta masina are, in esenta, un panou de control de bază stabilit si este opereaza cu perforatii codate de pe cartela. Acest calculator s-a dovedit a fi deosebit de util la calcularea orbitelor de asteroizi.

Rezolvatorul de ecuatii liniare - Rezolvatorul de ecuatii liniare este un dispozitiv electric pentru rezolvare de ecuatii liniare simultane pana la si inclusiv ordinul a douasprezecelea. Dupa reglarea valorilor coeficientilor ecuatiilor pe cadrane, comutatoare sau cartele perforate, diferitele variabile sunt ajustate pana cand se obtine o solutie. Metoda de solutionare este una care ofera o convergenta foarte rapida. Aceasta masina a fost construita in cadrul laboratorului de catre dl Robert M. Walker, un membru al echipei noastre, si profesorul Francis J. Murray din cadrul Departamentului de Matematica al Universitatii.

Masina de masura si inregistrare controlata de cartela este destinata in primul rand pentru masurarea de fotografii astronomice, desi poate fi aplicata cu usurinta pentru fotografii în orice domeniu. O placa fotografica a unei portiuni a cerului care include steaua în discutie este introdusa in masina, impreuna cu o cartela perforata care indica coordonatele aproximative ale stelei. Aparatul citeste apoi in mod automat cartela perforata, localizeaza steaua de pe placa fotografica folosind aceste coordonate aproximative, apoi masoara cu precizie pozitia acesteia si o inregistreaza pe un card. Inregistrarea de pe cartela perforata este apoi disponibila pentru calcule matematice.

De la începuturile Biroului Astronomic în 1934, mai multe realizari ale laboratoarelor cu cartele perforate au fost implementate in intreaga industrie si guvern. Aceste laboratoare aflate in functiune in timpul anilor de razboi au jucat un rol critic in programul nostru national de aparare. In acest grup au fost Laboratoarele de Cercetari Balistice din Aberdeen, Maryland și Dahlgren, Virginia. In aceeasi categorie a fost Observatorul Naval al SUA care a pregatit tabele astronomice pentru utilizare in aer si navigatia maritima, astronomie si topografie. In industrie, laboratoarele de calcul au jucat un rol proeminent atat in cercetare cat si in stiinta aplicata. Metodele de lucru cu cartele perforate au fost folosite, de exemplu, in solutionarea problemelor privind analiza tensiunilor si deformatiilor structurilor de aeronave si analiza vibratiilor utilajelor mari.

.

O ilustrare a aplicarii echipamentelor cu cartele perforate in domeniul industriei apare in proiectarea si constructia de nave, aplicatie in care este necesar sa se precizeze localizarea exacta a unui mare numar de puncte de pe suprafata. Proiectantul poate realiza acest lucru prin luarea in considerare a diferite sectiuni transversale prin corpul navei si reprezintarea conturului fiecareia dintre aceste sectiuni printr-un polinom de, sa zicem, gradul al cincelea (vezi fig. 3).

Figura 3. Sectiune transversală prin nava

Valorile constantelor a0, ..., a5 in ecuatie vor varia în functie de fiecare sectiune considerata, din cauza curburii suprafetei in directia longitudinala. Prin urmare, in cazul in care nava este impartita in 200 de sectiuni transversale, si este necesar sa se determine 100 de puncte de pe fiecare parte a corpului navei pentru fiecare secțiune transversala, polinomul ar trebui sa fie evaluat de 20.000 de ori. Utilizarea echipamentelor cu cartele perforate in rezolvarea acestei probleme se transforma dintr-o munca extrem de greoaie intr-una care este calculata automat de catre masina dupa ce planificarea initiala este finalizata.

Domnisoara Eleanor Krawitz, care detine distinctia de a fi primul autor feminin care a contribuit la COLUMBIA ENGINEERING QUATERLY, se poate mandri cu multe alte realizări notabile. Ea a fost absolvit in 1943 Liceul Samuel I. Tilden din Brooklyn, unde a fost membru al Societatii de onoare scolastice „Arista.“ La Colegiul Brooklyn a fost trezorier al Pi Mu Epsilon, societate matematică de onoare, până când ea a primit diploma de absolvire în matematica in 1947. Apoi a lucrat ca profesor suplinitor la Liceul Midwood și Alma Mater Tilden High, dar la scurt timp a abandonat cariera de predare de liceu pentru a studia cursurile de Master in matematica la Universitatea Columbia.

Astăzi D-ra Krawitz este Supervizor Tabelare in cadrul Laboratorului de Calcul I.B.M. Thomas J. Watson din cadrul Universitatii Columbia. Nu numai ca se ocupa de instruirea in cadrul cursurilor de astronomie privind functionarea calculatoarelor, dar ea este, de asemenea, implicata in stabilirea unor proceduri de calcul a problemelor de fizica, matematica si astronomie.

Scrisa de: Eleanor Krawitz Kolchin, Nov 2003.
Scant si convertit in HTML: Sambata, Nov 22 17:06:54 2003

De acelasi autor:

Krawitz, Eleanor, "Tabele matematice pe cartele perforate in cadrul echipamentelor standard IBM",Seminar de calcul industrial, IBM, New York (Sep 1950), pp.52-56.
Krawitz, Eleanor, "Matrice cu multiplicare vectoriala IBM Type 602-A ",Utilizare, Seminar calcul industrial, IBM, New York (Sep 1950), pp.66.70
Green, Louis C., Nancy E. Weber, and Eleanor Krawitz, "Utilizarea energiilor calculate si observate in calculul fortei oscilatorii" Astrophysical Journal, Vol.113 No.3 (Mai 1951), pp.690-696.