Průkopníci informačního věku (13.) Jay W. Forrester

Díky magnetické jádrové paměti, kterou pomohl vyvinout, zkonstruoval první počítač, který byl schopný pracovat v reálném čase.

Průkopníci informačního věku (13.) Jay W. Forrester


Díky magnetické jádrové paměti, kterou pomohl vyvinout, zkonstruoval první počítač, který byl schopný pracovat v reálném čase. Na této koncepci krátce nato byly založeny počítače, které umožnily realizovat americký pozemní obranný systém SAGE (Semi-Automatic Ground Environment), který pomocí počítačů koordinoval přenos dat mezi velkým množství radarů a obrannými zbraňovými systémy. Jako tvůrce systémové dynamiky vytvořil Forrester nový způsob analýzy a práce komplexních jevů, k čemuž jako první využil možnosti, kterou nabízí počítačová simulace.

S narůstajícím výkonem počítačů se od poloviny čtyřicátých let hledaly nové způsoby ukládání informací. Zatímco první moderní počítače pracovaly s pouhými děrnými štítky (či jejich obdobou v podobě děrných pásek), s nástupem elektroniky byly zprvu využívány elektrostatické paměťové elektronky. Ty však jednak nebyly příliš spolehlivé, jednak jako paměťové médium nepřinášely výraznou možnost využití. Proto řada vědců hledala nová řešení, která by mohla zaručit jak spolehlivé uložení většího množství dat, tak i možnost rychlé a efektivní práce s nimi. Průlom přineslo využívání elektromagnetických pamětí. Ačkoli princip elektromagnetického záznamu dat byl znám od konce 19. století, jeho využití v počítačích začalo až na přelomu čtyřicátých a padesátých let. Jedním z průkopníků, jenž učinil obzvláště výrazný pokrok na tomto poli, byl americký elektrický inženýr Jay Wright Forrester.

Mládí Jay W. Forrestera

Narodil se roku 1918 na osamělém ranči v srdci Nebrasky, který vlastnili jeho rodiče. Zde také prožil dětství, mezi stády krav a často na hřbetě koně společně s ostatními honáky. Škola, kterou navštěvoval, byla jednotřídka, kde se učily číst a počítat děti z okolních rančů. Třebaže mladému Jayovi kovbojský život vyhovoval, zároveň ho fascinovala technika – od dětství projevoval nevšední zájem o mechanické a zvláště elektrické stroje. Snažil se vždy pochopit, jak fungují, a brzy se je naučil opravovat, což jej odlišovalo od ostatních chlapců z rančů. Když mu bylo patnáct, sestrojil ze součástek z několika automobilových vraků malý elektrický generátor poháněný větrem, pomocí něhož mohl osvětlit prostor ve stájích – byl to první zdroj elektrické energie na ranči.

Nadaný chlapec mezi svými vrstevníky vynikal, a protože byl synem velkochovatele dobytka, bylo nabíledni, že půjde studovat na zemědělskou fakultu. V době, kdy už byl přijat, se však Jay rozhodl pro obor, který ho opravdu zajímal, a zařídil si přestup na elektrotechnickou fakultu. Rodiče proti tomu nic nenamítali, a že to bylo správné rozhodnutí, se ukázalo už v následujících letech, kdy se stal nejlepším studentem ročníku. Děkan elektrotechniky se zasadil, aby mohl pokračovat ve studiu na nejprestižnější technické škole, na Massachusettském technologickém institutu v Cambridgi.

Tak se stalo, že se kovbojský syn z Nebrasky v roce 1939 ocitl na MIT, kde v té době přednášely osobnosti, jako byli např. Vannevar Bush, Norbert Wiener či Gordon Brown. K jeho studentským kolegům patřili např. Claude Shannon (autor teorie komunikace) či William Shockley (člen týmu, který vynalezl tranzistor). Jay Forrester obstál i ve zdejší silné konkurenci a záhy se stal studentským asistentem v takzvané Servo Laboratory, kde se seznámil jak s principem a konstrukcí analogového počítače, tak i s nejnovějšími elektronickými přístroji, které zde byly vyvíjeny.

Jak uchovat data

Když Spojené státy vstoupily do války, stal se mladý Jay Forrester členem týmu, který pod vedením Gordona Browna navrhoval servomechanizmy pro radarové antény a základny děl. V roce 1944 se nadto zapojil do práce na analogovém počítači označovaném jako ASCA (Aircraft Stability and Control Analyzer), jehož úkolem měla být simulace chování letadla v reálném čase, a to v závislosti jak na příkazech pilota, tak na vnějších okolnostech. Tento úkol přinesl vědcům množství technických problémů souvisejících s omezenými možnostmi analogového počítače (u něhož lze namísto složitějšího naprogramování hovořit spíše o „vyladění“). Ještě závažnější nesnáz vyplývala ze skutečnosti, že tehdejší elektromechanický diferenciální analyzátor, byť se s úspěchem využíval např. v zaměřovačích, nebyl zdaleka tak výkonný, aby mohl umožnit simulaci složitějších procesů v reálném čase.

To byl také důvod, proč se Forrester začal zabývat činností vědců, kteří v té době pracovali na konstrukci prvního elektronkového počítače ENIAC. Při tom se seznámil i s teoretickými koncepcemi, jež v té době publikovali John von Neumann a Norbet Wiener. Když po válce byly zpřístupněny podrobnosti o elektronkovém počítači, došlo mu, že právě tento výkonný programovatelný stroj by byl ideálním řešením pro vytváření modelů a simulací složitých systémů.

Navzdory konci války si vedení amerického námořnictva přálo, aby byl simulátor dokončen. Forrester, který v roce 1946 získal vědecký titul (a krátce nato se oženil), přesvědčil svého bývalého školitele Gordona Browna, že je nutné opustit plán založený na diferenciálním analyzéru a začít práci na leteckém simulátoru od nuly, a to na principu programovatelného digitálního počítače. Brown mu dal za pravdu a díky finančním prostředkům amerického námořnictva se Forrester stal šéfem nové divize na fakultě elektrického inženýrství MIT, nazvané Digital Computer Laboratory.

Ale ani nově nastoupená cesta k simulátoru vytvořenému pomocí elektronkového počítače nebyla bez potíží. Naopak. Pro Forrestera představovala myriádu problémů, které bylo nutno vyřešit. Potíž byla především v tom, že ENIAC i jeho nástupce EDVAC byly v podstatě sekvenční stroje. To znamená, že řešily jednu úlohu za druhou, přičemž každá z těchto úloh si žádala zvláštní nastavení, „předrátování“, jak se v hantýrce operátorů těchto raných počítačů říkávalo. Naproti tomu simulace složitého jevu v reálném čase, jako bylo chování letadla za letu, si vyžadovala množství výpočtů s řadou proměnných, které bylo nutno provést současně v jednom a tomtéž okamžiku. Aby to bylo proveditelné, navrhl John Forrester společně se svým asistentem Robertem Everestem počítač Whirlwind, v němž bylo paralelně zapojeno několik výpočetních jednotek, přičemž každá řešila v daném okamžiku jednu specifickou úlohu související se simulací.

Ústředním problémem byla i nespolehlivost elektronek, která dělala vrásky již Johnu Mauchlymu a Presperu Eckertovi, když pracovali na ENIAC. Jestliže vadná elektronka v ENIAC znamenala přerušení výpočtu, v případě Whirlwindu šlo o krach celé simulace. Je třeba si uvědomit, že elektronky nebyly v prvních digitálních počítačích pouze součástí výpočetních jednotek, ale i paměťových modulů. Forrester strávil mnoho času nad tím, aby problém spolehlivosti ukládání dat do počítačové paměti vyřešil. Nejprve se mu povedlo najít způsob, díky němuž se mu podařilo prodloužit život elektronek, posléze zkoušel paměťový modul zkonstruovat pomocí spolehlivějších součástek, než byly elektronky.

Při experimentech s katodovými trubicemi, na jejichž principu byly založeny i obrazovky televizorů, vyvinul dvoudimenziální paměťový systém (označovaný jako MIT Storage Tubes), ale ani to nebylo uspokojující řešení. Pak jednoho dne na konci roku 1949 spatřil v jakémsi technickém časopise reklamu na materiál deltamax, využívaný pro jádra magnetických zesilovačů. V tom okamžiku jej napadlo, zda by pro ukládání dat namísto elektrických spínačů nebylo vhodnější využít principu magnetické hystereze.

Díky tomuto principu si magnetický materiál „pamatuje“ intenzitu magnetického pole i poté, co na něj toto pole přestalo působit, protože se změní prostorová orientace magnetických dipólů materiálu. Technologické aplikace byly známy už v první polovině třicátých let, ale v počítačích se začaly uplatňovat až o dvacet let později. K výhodám paměti založené na magnetické hysterezi patřily jak velká kapacita a možnost rychlého přístupu ke kterémukoli paměťovému záznamu, tak i fakt, že data zůstala uchována i při výpadku proudu.

Inzerovaný deltamax se sice ukázal jako nepoužitelný, ale Forrester brzy našel vhodný materiál, jímž bylo krystalicky čisté železo bez příměsi uhlíku. Na bázi feritu sestavil společně se svými spolupracovníky prstencová jádra, která uspořádal do tvaru matice, aby bylo možné dosáhnout rychlého záznamu i vyvolání dat. Tak se na počátku padesátých let zrodil nový druh matricové počítačové paměti, která se označuje jako magnetická (feritová) jádrová paměť. K jejím přednostem patřily spolehlivost a rychlost, nevýhodou byla vysoká pořizovací cena (což později vedlo k hledání dostupnější alternativy, kterou se stal magnetický disk).

Priorita národní obrany

Konstrukce počítače Whirlwind byla zpočátku na okraji zájmu. Ze strany vedení amerického námořnictva, které projekt financovalo, jí dokonce hrozilo zastavení, neboť kompetentní orgány vedení námořnictva nebyly v roce 1948 spokojeny s výsledky (do této doby spadá právě tápání, jaké technologie využít pro vhodný paměťový modul). Následující rok se však vše změnilo. Příčinou bylo šokující zjištění, že Sovětský svaz úspěšně provedl zkoušku atomové bomby.

Studená válka, jejíž počátek se datuje již do prvních poválečných let, se tímto zjištěním nečekaně vyostřila. Opatření, jež mělo Spojeným státům znovu získat silovou převahu, spočívalo ve zvýšeném úsilí při vývoji jaderných zbraní (vodíkové bomby) a jejich operabilnějších nosičů (raketových střel a ponorek). Prioritou národní obrany bylo také nalézt způsob, jak co nejlépe identifikovat pohyb nepřátelských bombardérů, které na svých palubách mohly nést atomové bomby. Aby to bylo možné, bylo třeba vyvinout systém schopný pomocí radarů nepřetržitě monitorovat rozsáhlý vzdušný prostor.

I když základní koncepci tohoto obranného systému, který získal označení SAGE (Semi-Automatic Ground Environment) vytvořil George E. Valley, profesor fyziky na MIT, bylo to možné jen díky tomu, že znal Forresterův počítač Whirlwind, tedy výpočetní stroj schopný pracovat v reálném čase. Vedení vzdušných sil americké armády tuto koncepci akceptovalo, ale než odsouhlasilo realizaci systému, vyžádalo si jeho vyzkoušení v menším měřítku. To se pod názvem Projekt Charles uskutečnilo na poloostrově Cape Cod, kde bylo poprvé demonstrováno zobrazování dat na počítači Whirlwind, získaných z několika radarových stanic. Protože výsledek vedení armády plně uspokojil, projekt SAGE dostal zelenou.

Vývoj systému SAGE je označován za počítačovou obdobu „Projektu Manhattan“, neboť stejně jako vývoj prvních atomových bomb jej provázelo nejpřísnější utajení. Celkové náklady sice nejsou známy, ale hovoří se o 200 miliardách dolarů (což znamená, že jde o ještě vyšší sumu, než si vyžádala právě konstrukce prvních atomových bomb). Jay Forrester byl díky svým zkušenostem jmenován projektovým ředitelem a s jeho jménem je spjata první fáze vývoje tohoto obranného systému, především práce na počítači označovaném Whirlwind II. Jednalo se o jeden z nejvýkonnějších a největších počítačů své doby. Ale třebaže Forresterův tým vypracoval návrh tohoto stroje, vedení vzdušných sil americké armády, které projekt financovaly a koordinovaly, se rozhodlo, že konstrukci dvaapadesáti počítačů tohoto typu zadá renomované počítačové firmě. Nakonec byla, nikoli překvapivě, vybrána společnost IBM.

SAGE byl spuštěn v roce 1963. Propojil na stovku radarů do jedné integrované sítě, díky níž byl po celé dvacetiletí nepřetržitě kontrolován vzdušný prostor. Před svým spuštěním prošel systém náročnou fází testování, při němž se prokázalo, že je schopen odhalit jakékoli neznámé letadlo, které se přiblíží ke Spojeným státům (a části Kanady). Systém se skládal jednak ze třiadvaceti řídicích center rozesetých po celém území Spojených států, které byly propojeny telefonní linkou, jednak ze tří bojových center, v nichž byla soustředěna letecká a raketová obranná technika schopná okamžitě reagovat na případnou poplašnou zprávu z kteréhokoli ze zmíněných třiadvaceti stanovišť.

 

 

Na základě dat z radarů dokázal počítač systému s vysokou přesností určit pohyb nepřátelského bombardovacího letadla. Data z radarů bylo možné nanášet světelným perem přímo na displej, přičemž systém vypočítal budoucí trasu letounu. Druhou fází byl výpočet optimální trasy zasahujícího stíhacího letadla (nebo později i řízené raketové střely). Tato data byla distribuována k elektronickému zbraňovému komplexu MA-1, který zajišťoval automatický let příslušného letounu k cíli, zničení bombardovacího letounu protivníka a návrat na základnu. Součástí systému bylo i programovací centrum, které kromě aktualizace softwarového vybavení systému zajišťovalo i samotný chod a údržbu počítačů.

Tvůrce systémové dynamiky

Jay Forrester, jenž nesouhlasil s tím, že počítače určené pro SAGE byly zadány komerční firmě, rezignoval v polovině padesátých let na svou funkci projektového ředitele. V téže době věnoval Alfred Sloan, generální ředitel General Motors (tehdy největší světové firmy), Massachusettskému technologickému institutu částku 10 milionů dolarů, která byla určena na založení manažerské školy. James Kilian, tehdejší prezident MIT, záhy nato požádal Forrestera, aby se stal jedním z profesorů tohoto špičkového pracoviště, jež bylo na počest štědrého donátora nazváno Sloanova škola managementu (Sloan School of Management). Forrester tuto nabídku přijal. Později se v jednom z rozhovorů přiznal, že od začátku padesátých let se na základě poznatků z oborů, jako jsou kybernetika a počítačová věda, začal čím dál více zabývat obecnějšími otázkami spjatými s problematikou řízení složitých organizací.

Nový obor nazval nejprve „průmyslová dynamika“, což byl rovněž titul jeho první knihy (Industrial Dynamics, 1961). Později, když metodiku opřenou o počítačové simulace rozšířil i na jiné oblasti, jako jsou např. ekologie či urbanistika, název změnil na „systémová dynamika“. Základní principy systémové dynamiky definoval Forrester při řešení potíží podniku General Eletric (GE). GE se v té době potýkal s problémem cyklického nadbytku zaměstnanců, který byl pravidelně střídán s jejich nedostatkem. Vedení GE bylo tímto vývojem zaskočeno, protože kolísání v nabídce a poptávce na trhu s energií nedokázalo problém uspokojivě vysvětlit. Z toho důvodu se obrátilo na vědecká pracoviště, mezi jinými také na Sloanovu školu managementu, zda by jim pomohly problém řešit. Z Forresterových výpočtů a simulací se ukázalo, že jádro problému nespočívá vně firmy, nýbrž je ve vnitřní struktuře GE (konkrétně šlo o to, jakým způsobem podnik rozhodoval, kdy a jak najímat a propouštět zaměstnance). Podstatu problému i jeho řešení Forrester následně popsal v již zmíněné knize Průmyslová dynamika.

Během šedesátých let Forrester se svými spolupracovníky a studenty rozvinul metody systémové dynamiky. Společně s Richardem Bennetem vytvořil rovněž první počítačový jazyk SIMPLE (Simulation of Industrial Management Problems with Lots of Equations), určený pro vytváření počítačových simulací. Krátce nato Phyllis Fox a Alexander Pugh vytvořili program DYNAMO (Dynamic Models). Vývoj těchto nástrojů šel svou vlastní cestou. Dnes je počítačových prostředí pro modelování dynamických systémů celá řada a využívají je zejména vedení velkých firem či specializovaných konzultačních společností.
V roce 1969 vydal Jay Forrester přelomovou knihu Urbanistická dynamika (Urban Dynamic), v níž popisuje, jak ve spolupráci se starostou Bostonu vypracoval jeho tým model, který se zabýval problémem chudých čtvrtí.

Tehdy existovalo ve Spojených státech velké množství sociálních a ekonomických programů, jejichž cílem bylo chudé čtvrti znovu pozvednout a zlepšit tamější životní podmínky. Mezi tyto programy patřila například oprava domů za státní peníze nebo podpora každodenní přepravy lidí za prací. Potíž byla v tom, že většina z těchto programů se míjela účinkem a ukázala se jako neefektivní nebo dokonce kontraproduktivní. Jediným výsledkem zpravidla bylo, že se tyto čtvrti stávaly pro nepracující nebo chudé obyvatelstvo o něco více atraktivní, což vedlo k další vlně stěhování neproduktivních obyvatel, a tedy k dalšímu prohloubení krize. Forrester pomocí simulací navrhl program postupné demolice zchátralých domů (2?% ročně), která vytvořila místo pro nové podniky – ty do čtvrti postupně přinesly nejen nové pracovní příležitosti, ale dále svou přítomností zvyšovaly atraktivitu pro další podnikání v okolí. V místě se tak zvyšovala kvalifikovanost pracovníků, jež dále přilákala kapitál, a ten byl magnetem pro další kvalifikované pracovníky… Toto systémové řešení problému chudých čtvrtí se stalo jedním z příkladů praktického využití systémové dynamiky, která si od konce šedesátých let získávala stále více zastánců.

Když se píše či hovoří o průkopnících moderní informatiky druhé poloviny minulého století, bývá Jay Forrester často opomíjen. Neprávem. Jeho výzkumná práce ovlivnila širokou oblast celé výpočetní techniky.



Jay Wright Forrester (1918), americký inženýr, zakladatel systémové dynamiky. Vystudoval elektrické inženýrství na Engineering College na University of Nebrasca; v roce 1939 se stal výzkumným asistentem na Massachusettském technologickém institutu (MIT), kde spolupracoval s Norbertem Wienerem a Gordonem S. Brownem. V průběhu 2. světové války se společně s nimi podílel na vývoji servomechanizmu určeného pro zdokonalené funkce radarových antén. Ke konci války se stal vedoucím projektu, jehož cílem bylo vyvinout letový simulátor pro výcvik pilotů armády Spojených států. V roce 1956 začal působit na Sloanově škole managementu (MIT Sloan School of Management), kde se záhy stal stálým profesorem. Zde vyvinul a aplikoval systémovou dynamiku, první manažerskou metodu, která využívala počítačovou simulaci. Napsal řadu knih a článků zaměřených zejména na tuto oblast, např. Průmyslová dynamika (Industrial Dynamics, 1961), Principy systémů (Principles of Systems, 1968), Urbanistická dynamika (Urban Dynamics, 1969), Dynamika rozvoje světa (World Dynamics, 1971).

SAGE AN/FSQ-7

Mozkem každé ze třiadvaceti stanic obranného systému SAGE byla dvojice počítačů AN/FSQ-7, které dodala společnost IBM. AN/FSQ-7 je největší počítač, jaký byl kdy vyroben. Původní design, vycházející z konceptu označovaného jako Whirlwind II, který vypracoval tým Jaye Forrestera v Lincolnově laboratoři na MIT, firma IBM značně pozměnila, i když základní koncept zůstal zachován. Jednalo se o elektronkový počítač disponující magnetickou jádrovou pamětí. Stroj obsahující 55 tisíc elektronek zabíral prostor dvou tisíc metrů čtverečních, vážil 275 tun a dokázal zpracovat 75 tisíc instrukcí za sekundu. AN/FSQ-7 byly ve své době nejen nejvýkonnějšími počítači pracujícími v reálném čase (CTR–based real time user interface), ale prostřednictvím propojení jednotlivých stanic systému SAGE, které zajišťovaly klasická telefonní linka a modemy, je tento systém zároveň předchůdcem síťové počítačové architektury.

Díky technologiím, které byly v AN/FSQ- 7 využity, získala společnost IBM na přelomu 50. a 60. let 20. století zřetelný náskok nad svými konkurenty. Pozemní obranný systém SAGE, chránící Spojené státy před nepřátelskými bombardéry, byl plně funkční až do roku 1983, kdy byl nahrazen vyspělejším systémem schopným identifikovat i pohyb raketových nosičů. Části počítače AN/FSQ-7 jsou dnes vystaveny v Muzeu počítačů v Mountain View v Kalifornii.





Komentáře