WATSONS VITENSKAPELIGE DATABEHANDLINGSLABORATORIUM

Senter for vitenskapelig forskning ved hjelp av regnemaskiner

Miss Eleanor Krawitz
Tabuleringsveileder
Watsons vitenskapelige databehandlingslaboratorium

Columbia Engineering Quarterly, november 1949

original page: http://www.columbia.edu/cu/computinghistory/krawitz/index.html

I løpet av de siste årene har det blitt gjort store fremskritt innen alle vitenskapelige forskningsområder, og en viktig faktor i denne utviklingen har vært den omfattende bruken av automatiske databehandlingsmetoder og utstyr. I dag utføres beregninger automatisk i laboratorier over hele USA. Utviklingen av disse databehandlingslaboratoriene er av særlig interesse for Columbia-studentene siden de første laboratoriene ble etablert her ved universitetet. Det statistiske byrå ved Universitetet i Columbia ble etablert i slutten av tjueårene til bruk for lærere og statistikere. Det astronomiske byrå, opprettet i 1934, ledet av Dr. W.J. Eckert, og drevet av Universitetet i Columbia, Amerikansk astronomisk selskap og International Business Machines Corporation, fungerte som en ideell organisasjon hvor astronomer fra hele verden kunne komme og få beregninger utført. I 1945 opprettet IBM Departementet for ren vitenskap, utnevnte Dr. Eckert som direktør, og stiftet Watson Scientific Computing Laboratory på universitetsområdet.

Hovedformålet med Watson-laboratoriet er å drive forskning innenfor forskjellige vitenskapelige faggrener, særlig dem som involverer anvendt matematikk og numerisk beregning. Laboratorietjenesten tilbys vederlagsfritt til enhver forsker eller kandidatstudent engasjert i forskning som bidrar vesentlig til fremdrift av vitenskapen, og som bruker beregningsmaskiner for å oppnå dette. Hvert år tildeles to Watson laboratorium-stipend i anvendt matematikk til studenter hvis studium eller forskning innebærer storskalaberegninger. Medarbeiderne tilbyr instruksjonskurs innenfor sine interesseområder under regi av de ulike avdelingene på universitetet. Kursene for kandidatstudentene omfatter drift og bruk av maskinene, samt numeriske metoder; studiepoeng for kursene kan oppnås ved å registrere seg ved universitetet på vanlig måte. Spesialundervisning i driften av maskinene blir gitt med jevne mellomrom til profesjonelle fagfolk, besøkende forskere fra hele verden og doktorgradsstudenter. En tilleggsfunksjon Watson-laboratoriet har er formidling av teknisk informasjon om metoder ved bruk av matematiske maskiner og matematiske tabeller; det finnes et et omfattende bibliotek som dekker disse fagene.

Vellykket forskning er gjennomført innenfor mange vitenskapelige fagretninger av laboratoriets ansatte og gjesteforskere. Følgende liste er en delvis liste over prosjekter som er gjennomført eller som pågår:

 

  • Astronomi: Integrasjon av planet- og asteroidebaner,
  • Geofysikk: Kartlegging av lydbølger i vann ved ulike dybder og retninger,
  • Optikk: Beregninger som omfatter raytracing-metoder,
  • Kjemi: Beregning av aromatiske forbindelsers kvantemekaniske resonaneenergi
  • Ingeniørfag: Bygging av såkalte “spring and gear tables” og utregning av beregningsspenninger i forbindelse med jordskjelvbelastninger,
  • Økonomi: Estimering av visse koeffisienter i økonomiske modellers likninger, ved hjelp av matriksmultiplikasjon og inversjon,
  • Fysikk: Beregninger av kalsiumovergangssannsynligheter,
  • Krystallografi: Evaluering av en Fouriertransformasjon for insulinstrukturen.

 

Laboratoriet vedlikeholder et stort utvalg av både digitale og analoge maskiner; den digitale maskinen er en som hovedsakelig teller, mens den analoge maskinen gjør fysiske målinger. Disse kalkulatorene er utformet for å løse problemer på den mest hensiktsmessige måten og å sammenligne ulike løsningsmetoder for å bestemme den mest effektive.

 

De fleste maskinene leser og skriver ved hjelp av hullkort som gir mulighet til automatisk datahåndtering. Kortene kan således behandles gjennom en hvilken som helst serie av kalkulatorer og ha hvilken som helst ønsket operasjonssekvens utført på seg. Den primære fordelen ved hullkortteknikken er at et stort antall lignende operasjoner kan utføres i stor kvantitet. Etter at innledende verdier er stanset ut på kortene, er maskinprosedyren automatisk. Utstansing kan finne sted i en av de åtti kolonnene på kortet. Hver kolonne er delt inn i tolv forskjellige posisjoner, som representerer tallene 0 til 9, samt to spesielle hullposisjoner referert til som X og Y. X-posisjonen brukes hovedsakelig til å betegne en spesiell operasjon eller et negativt tall. Bokstavene i alfabetet er registrert med to hull per kolonne, en kombinasjon av en X, Y eller 0, med et av heltallene fra og med 1 til og med 9 (se figur 1). 

Figur 1. Tabuleringskort som viser 12 utstansingsposisjoner og utstansingskombinasjoner for å angi bokstaver.

I alle maskiner er prinsippet for å lese kortet det samme. Hullene er stanset inn i kortene og leses ved hjelp av elektrisk kontakt gjennom hullene. Kortet fungerer som en isolator og går mellom en stålbørste og en messingvals (se figur 2).

Et hull stanset ut på kortet tillater kontakt mellom børsten og rullen, og dermed fullføres en elektrisk krets; den elektriske impulsen blir gjort tilgjengelig på et pluggbart kontrollpanel, og impulsens tidspunkt bestemmes av hullets posisjon i kortet. Alle maskinens funksjoner styres av retningen på disse impulsene på kontrollpanelet, og som et resultat av fleksibiliteten til dette panelet, kan et stort antall operasjoner utføres. En stor prosentandel av problemene man møter i numerisk beregning, kan håndteres effektivt på standard IBM-maskiner. Det første trinnet i tilnærmingen til disse problemene er å oversette de opprinnelige dataene til det språket kalkulatorene bruker. Det vil si å registrere det i form av hull på standardkort. Dette er hullkortmaskinens oppgave. Den ønskede informasjonen transkriberes på kortet ved å trykke tastene på maskinen i tråd med hvilken kolonne hullet ønskes i. Disse kortene kan mates inn i hullkortmaskinen enten manuelt eller automatisk. Etterhvert som hver kolonne blir ferdig stanset ut, går kortet automatisk videre til neste utstansingsposisjon. De numeriske hullkortmaskinene har fjorten taster; en for hver av de tolv stanseposisjonene, en mellomromstast og en kortutløsingstast. De alfabetiske hullkortmaskinene har i tillegg et skrivemaskinstastatur som automatisk stanser ut to hull per kolonne. Etter å ha blitt kodet av hullkortmaskinen, er kortene klare til å passere gjennom hvilken som helst av de andre maskinene som kreves for å løse problemet.

Sortereren brukes til å ordne stansede kort i ønsket numerisk eller alfabetisk rekkefølge, avhengig av informasjonen på dem. Kortene som skal sorteres blir matet fra en beholder til en enkelt børste, som leser den valgte kolonnen og sorterer hvert kort i den riktige av de tretten tilgjengelige lommene. Det er en lomme for hver av de tolv hullposisjonene og en for tomme kolonner. Ved etterfølgende sortering blir kortene sortert i hvilken som helst ønsket rekkefølge. Maskinen, som opererer med en hastighet på 450 kort per minutt, er utstyrt med en teller for å registrere antall kort som går gjennom.

Den alfabetiske kommandotolken er laget for å oversette tall eller alfabetisk informasjon i kortet til trykte figurer på en av to linjer øverst på kortet. Dermed er hullkortet lettere å lese, og kan brukes både som arkivkort og i maskinene.

Regnskapsmaskinen er en høyhastighetsmaskin som som legger til og skriver ut. Den leser data fra et kort, legger til og fjerner dem fra tellemaskiner, og skriver ut informasjonen fra kortene eller totalen fra tellerne på et papir. Maskinen lister alfabetisk etter numerisk data med en hastighet på åtti kort i minuttet, eller akkumulerer så mange som åtti sifre totalt til 150 kort i minuttet.

Reproduksjonsmaskinen transkriberer hele eller deler av dataene som er stanset ut på et sett med kort til et annet sett, eller kopierer data fra et hovedkort til en gruppe detaljkort. Denne maskinen har en sammenligningsenhet som sammenligner de to datasettene og indikerer ulikheter mellom de to. Maskinen kan tilpasses slik at den kan brukes som sammendragsmaskin som registrerer mengder samlet i regnskapsmaskinen på et nytt kort.

Kollatoren utfører noen av funksjonene til sorteren på en mer effektiv måte. Den legger sammen to sett med kort, velger bestemte kort i en av fire utvalgslommer, matcher to sett med kort i henhold til et kontrollnummer, og kontrollerer sekvensen av et sett med kort. Maskinen er svært fleksibel og tillater håndtering av kort i henhold til et komplisert mønster som innebærer sammenligning av to kontrollnumre. Kortene kan passere gjennom kollatoren med en hastighet på 240 til 480 kort i minuttet.

Den elektroniske regnehullmaskinen er en høyhastighetsmaskin som bruker elektroniske kretser for å utføre alle grunnleggende operasjoner. Den adderer, subtraherer, multipliserer, og deler tallene som er matet inn på den via et hullkort, og stanser ut svarene på samme kort eller et påfølgende. Det utfører disse operasjonene repetitivt og i hvilken som helst rekkefølge i en brøkdel av et sekund. Denne elektroniske hullmaskinen leser faktorene som er stanset ut på et kort, og utfører addisjoner, subtraksjoner, multiplikasjoner og divisjoner, i ønsket rekkefølge. Separate resultater kan stanses ut for hver beregningstype, eller resultatene kan lagres og brukes som en faktor i etterfølgende beregninger. Denne maskinen har beregnet åtte rekkefølgeforskjeller i en ellevesifferfunksjon samt mange kompliserte likninger som involverer et stort antall operasjoner.

I tillegg til standardmaskinene beskrevet ovenfor finnes det en rekke spesialdesignede kalkulatorer som opererer ved hjelp av relénett og elektroniske kretser på laboratoriet. Nedenfor er en kort beskrivelse av disse spesialmaskinene.

Relékalkulatoren utfører alle de grunnleggende aritmetiske operasjonene, inkludert bestemmelse av kvadratrøtter, gjennom et komplisert relénettverk. Den ekstreme fleksibiliteten til denne kalkulatoren skyldes det store interne minnet, hastigheten den utfører beregninger med, evnen til samtidig å lese fire kort og lage hull i et femte, og dens evne til å operere under et omfattende og variert program. Maskinen er utstyrt med en samlingskrets for å lette tabelloppsøkingsoperasjoner. Mange kompliserte problemer har blitt løst på en relékalkulator, inkludert multiplikasjon av harmoniske serier, multiplikasjon av matriser og sjettegrads differensialligninger.

Den kort-drevne sekvenskalkulatoren består av en regnskapsmaskin som leser, adderer, subtraherer og lagrer dataene, en sammendragshullmaskin som stanser ut de endelige verdiene, en reléboks som gir fleksibilitet til driftskontrollen og en enhet som utfører multiplikasjoner og divisjoner. Operasjonene til de andre kalkulatorene blir vanligvis programmert via ledninger på kontrollpanelet, mens denne maskinen i hovedsak har ett grunnleggende kontrollpanel oppsatt, og styres av hull i kortet. Denne kalkulatoren har vist seg å være spesielt god til å beregne asteroide-baner.

Den lineære likningsløseren er en elektrisk enhet som løser samtidige lineære ligninger på til og med 12. grad. Etter at koeffisientene til ligningene er satt opp på hjul, brytere eller hullkort, justeres de forskjellige variablene til en løsning er funnet. Metoden for løsning er en som gir svært rask konvergens. Denne maskinen ble bygget på laboratoriet av Robert M. Walker, en av våre medarbeidere, og professor Francis J. Murray fra universitetets matematikkavdeling.

Den kortstyrte måle- og opptaksmaskinen er laget primært til måling av astronomiske fotografier, selv om den enkelt kan brukes på fotografier innen alle fagfelt. En fotografisk plate av en del av himmelen som inkluderer den aktuelle stjernen, blir satt i maskinen sammen med et hullkort som indikerer stjernens omtrentlige koordinater. Maskinen leser deretter automatisk hullkortet, lokaliserer stjernen på den fotografiske tallerkenen fra disse omtrentlige koordinatene, måler dens nøyaktige posisjon og registrerer denne målingen på et kort. Hullkortdataene er så tilgjengelige for matematisk behandling.

Siden oppstarten av Det astronomiske byrå i 1934, har flere andre hullkortlaboratorier blitt etablert i industrien og i regjeringen. Laboratoriene som var i drift i krigsårene spilte en viktig rolle i det nasjonale forsvarsprogrammet. I denne gruppen var Ballistic Research Laboratories i Aberdeen, Maryland og Dahlgren, Virginia. I samme kategori var U.S. Naval Observatory som utarbeidet astronomiske tabeller til bruk i luft- og sjøfart, astronomi og oppmåling. I industrien har databehandlingslaboratorier antatt en fremtredende rolle i både ren og anvendt vitenskapelig forskning. Hullkortteknikker har blitt benyttet for eksempel i løsningen av problemer som er relatert til stress- og belastningsanalyser av flykonstruksjoner og vibrasjonsanalyser av store maskiner.

En illustrasjon av bruken av hullkortutstyr i industrien vises ved konstruksjon og bygging av skip, der det er nødvendig å spesifisere nøyaktige plasseringer av et stort antall punkter på overflaten. Designeren kan gjøre dette ved å vurdere ulike tverrsnitt gjennom skroget og representere omrisset for hver av disse seksjonene med for eksempel et 5. gradspolynom. (Se figur 3).

 

 

 

Figur 3. Tverrsnitt gjennom fartøy

Verdiene av konstantene, a0a5, i ligningen vil variere med hver seksjon som er tatt, på grunn av krumningen av overflaten i lengderetningen. Dersom fartøyet er delt inn i 200 tverrsnitt, og det er nødvendig å bestemme 100 punkter på hver side av skroget for hvert tverrsnitt, må polynomet derfor evalueres 20 000 ganger. Bruken av hullkortutstyr i løsningen av dette problemet forvandler en ekstremt tungvinn jobb til en jobb som automatisk beregnes av maskinen etter at den opprinnelige planleggingen er fullført.

 

Frøken Eleanor Krawitz, den første kvinnelige forfatteren som har bidratt til COLUMBIA ENGINEERING  QUARTERLY, kan også skryte av en rekke andre bemerkelsesverdige prestasjoner. Hun ble uteksaminert fra Brooklyn Samuel I i 1943, Tilden High School, hvor hun var medlem av det skolistiske hedersamfunnet „Arista“. På Brooklyn College var hun kasserer i Pi Mu Epsilon, æresmatematisk samfunn, til hun fikk sin B.A. i matematikk i 1947. Hun jobbet da som vikarlærer ved Midwood High School og i Alma Mater, Tilden High, men satte raskt til side  undervisningskarrieren i videregående skole for å ta sin M.A. i matematikk ved Columbia.

I dag er frøken Krawitz tabulatorveileder i I.B.M. Thomas J. Watson Computing Laboratory ved Columbia universitet. Ikke bare instruerer hun astronomiklasser i høyere universitetsstudier i datamaskindrift, men hun er også involvert i å sette opp prosedyrer for beregning av problemer i fysikk, matematikk og astronomi.

Bidrag av: Eleanor Krawitz Kolchin, november 2003.
Skannet and konvert til HTML: Lørdag 22. november, 17:06:54, 2003

 

Av samme forfatter:

  • Krawitz, Eleanor, „Punched Card Mathematical Tables on Standard IBM Equipment“, Proceedings, Industrial Computation Seminar, IBM, New York (Sept. 1950), side 52-56.
  • Krawitz, Eleanor, „Matrix by Vector Multiplication on the IBM Type 602-A Calculating Punch“, Proceedings, Industrial Computation Seminar, IBM, New York (Sept. 1950), side 66-70

 

  • Green, Louis C., Nancy E. Weber, og Eleanor Krawitz, „The Use of Calculated and Observed Energies in the Computation of Oscillator Strengths and the f-Sum Rule“ Astrophysical Journal, Vol.113 No.3 (mai 1951), side 690-696.

Lenker: (Oppdatert 31. juli, 2017):

Frank da Cruz / fdc@columbia.edu / Columbia University Computing History / Nov 2003 / Oversettelser: 2013-2017