MANIAC

Verso la fine della guerra, gli scienziati di Los Alamos stavano utilizzando il primo computer elettronico. John Von Neumann fu il protagonista principale di questo cambiamento, che condusse, poi, allo sviluppo del programma per calcolare il comportamento degli esplosivi nucleari.

I calcoli iniziali concernenti la diffusione dei neutroni in un montaggio critico di uranio furono effettuati da Eldred Nelson e da Stanley Frankel, che erano membri del gruppo di Robert Serber presso il Radiation Laboratory dell'università di Berkeley, California, nel 1942.  A Los Alamos  ordinarono lo stesso tipo di macchine che avevano utilizzato in California.

Per eseguire alcuni di questi calcoli ripetitivi, furono reclutate alcune delle mogli degli scienziati  per formare un gruppo di calcolo. Questo gruppo incluse la moglie di Stanley Frankel, Maria; Josephine Elliott; Beatrice Langer; Mici Teller; Jean Bacher; e Betty Inglis. Questo divenne il gruppo T-5 sotto il coordinamento del matematico Donald (Moll) Fiandre della New York University, quando questi arrivò, verso la fine dell'estate di 1943.

Le calcolatrici meccaniche utilizzate, però, cominciarono a guastarsi sotto l'uso pesante e dovevano esser spedite continuamente indietro al fabbricante, finché i fisici Richard Feynman d'università di Princeton e Nicholas Metropolis dell'università di Chicago impararono a ripararle, sebbene il Capo della Divisione Hans Bethe all'inizio obiettò che quello era uno spreco di tempo.

Dana Mitchell, che il direttore il  del laboratorio J. Robert Oppenheimer aveva reclutato dalla Columbia University per sorvegliare l'acquisizione per Los Alamos, constatò che le calcolatrici non erano adeguate per i lavori di calcolo pesanti e suggerì l'uso di macchine IBM con schede perforate. Le aveva viste utilizzare con successo da Wallace Eckert alla Columbia per calcolare le orbite dei pianeti e persuase Frankel e Nelson ad ordinarle.

Nel settembre del 1943, Von Neumann fece la prima di molte visite a Los Alamos.

Oppenheimer aveva richiesto un matematico dell'Institute for Advanced Study di Princeton  per fare da consulente in idrodinamica. Durante le sue visite venne a sapere dei lavori di implosione condotti da Seth Neddermeyer e il suo gruppo.

Le nuove macchine IBM erano dedicate ai calcoli per simulare l'implosione.

Fu approntata una stanza con le ragazze. Ciascuna aveva un macchina.  La sola differenza era che le macchine di IBM non si stancavano e potevano lavorare interrottamente, ma le ragazze no.  :-)

Un primo calcolo sull'implosione dimostrò che il materiale fissile sarebbe stato fortemente compresso e che una resa elevata sarebbe risultata dall'assemblaggio di una quantità relativamente piccola di materiale fissile . Anche se richiese molto lavoro sui diversi componenti del dispositivo, il test Trinity del 16 luglio 1945, mostrò che il calcolo era corretto. Circa una dozzina di altri calcoli di implosione furono fatti per perfezionare il tutto prima della fine della guerra.

Nel frattempo, von Neumann aveva portato notizie di sviluppi informatici, come computer a relè del  Bell Laboratory e il calcolatore  Mark I.

Il Mark I fu usato anche per eseguire una versione non classificata di uno dei problemi di Los Alamos. Anche se ci volle diverso tempo per raggiungere la precisione voluta.

Von Neumann notò che i problemi come quelli incontrati a Los Alamos potevano essere risolti con i calcolatori elettronici simili all' ENIAC, che era in fase di sviluppo presso l'Università della Pennsylvania. Nel 1944 e 1945, formulò delle modalità per tradurre le procedure matematiche in un linguaggio di istruzioni per una macchina del genere. E suggerì a Teller, che aveva concepito di un bomba termonucleare che uno dei problemi computazionali connessi con il suo progetto poteva essere usato per testare l'ENIAC, perché sarebbe stato molto più efficace. Furono presi accordi con gli sviluppatori di ENIAC,  John Mauchly e J. Presper Eckert, per discutere del problema.

I calcoli furono fatti dal dicembre 1945 e gennaio 1946. Il mezzo milione di schede perforate dei dati furono trasferite da Los Alamos a Philadelfia.

Il MANIAC I

Mentre l’ENIAC divenne operativo troppo tardi per concorrere al Progetto Manhattan, il computer dello IAS e poi naturalmente il MANIAC furono utilizzati intensamente per lo sviluppo della successiva bomba termonucleare (Bomba H). 

Le necessità di calcolo connesse allo sviluppo degli ordigni atomici e della missilistica a lungo raggio sono state negli USA tra le principali motivazioni per gli ingentissimi finanziamenti militari allo sviluppo del computer. 

Motivazioni e finanziamenti che si accentuarono nel clima arroventato della “guerra fredda” tra il Blocco Sovietico e quello Atlantico, e di cui la gara per la supremazia strategica nello spazio è stata un aspetto sostanziale anche se abbinato agli obiettivi scientifici.

Nell'era del dopoguerra, Von Neumann ha continuato ad assicurare accesso al ENIAC per gli scienziati di Los Alamos ed inoltre ha sviluppato una versione migliore del computer elettronico all'istituto per lo studio avanzato a Princeton, in cui Oppenheimer è diventato direttore. Ispirato dal suo esempio, a Los Alamos fece costruire  il  Mathematical Analyzer, Numerical Integrator and Computer, o MANIAC, che fu completato nel 1952 e fu responsabile dei calcoli di Mike, la prima bomba all'idrogeno. Questo modello fu poi seguito dal MANIACI II, dall'IBM-built STRETCH e una serie di successivi computer commerciali.

Von Neumann aiutò Ulam e Metropolis ad elaborare i nuovi metodi di calcolo su tali macchine, compreso il metodo di Monte Carlo, che ha trovato, poi, applicazione diffusa. La sua influenza sullo sviluppo dei computer elettronici fu di grande portata e continuò a promuovere il loro sviluppo a Los Alamos fino al momento della sua morte nel 1957.

Il lavoro durante il periodo di guerra, nel laboratorio, creò un'esigenza di calcolo che stimolò Von Neumann, Metropolis, Ulam ed altri a trovare un modo per ridurre i problemi fisici precedentemente insolubili ad una forma in cui potevano essere calcolati automaticamente. L'uso di queste tecniche non solo ha reso possibile la progettazione delle armi nucleari e termonucleari, ma anche la soluzione di molti altri problemi scientifici.. Tutto cominciò con una breve visita al laboratorio da parte di Von Neumann nel settembre 1943 ed è diventata una rivoluzione in scienza e tecnologia.

Caratteristiche ed evoluzioni

MANIAC  era basato sull'architettura di IAS, sviluppata da John Von Neumann. 

• Il MANIAC I  era un computer elettronico di prima generazione, costruito nel 1957 per uso al laboratorio scientifico di Los Alamos.
• IL MANIAC II fu costruito dall'università di California e dal laboratorio scientifico di Los Alamos, fu completato nel 1957. Utilizzava 2.850 tubi a vuoti e 1.040 diodi a semiconduttore nell'unità aritmetica. In generale utilizzava 5.190 tubi a vuoti, 3.050 diodi a semiconduttore e 1.160 transistor. Elaborava 4.096 word nella memoria nel nucleo magnetico (con tempo di accesso di 2,4 microsecondi) a cui si aggiungevano 12.288 word utilizzando la memoria dei tubi di Williams (con tempo di accesso di 15 microsecondi). La lunghezza di una word era di 48 bit. Il suo tempo medio di moltiplicazione era di 180 microsecondi ed il tempo medio di divisione era di 300 microsecondi. Prima del suo disarmo, il computer era costituito totalemente in semi conduttori, utilizzando una combinazione di RTL, DTL e TTL. Aveva un moltiplicatore di matrice, 15 registri indici, 16K di memoria centrale con un tempo di ciclo da 6 microsecondi e 64K con 2 microsecondi
• Il MANIAC III  era un computer elettronico di seconda generazione (cioè, faceva uso di elettronica in solid-state semi conduttrice al posto dei vacuum tubes), fu costruito nel 1961 per essere utilizzato presso l'Institute for Computer Research all'università di Chicago. Fu progettato da Nicholas Metropolis e costruito dal personale dell'istituto, l'architettura fu modificata per eliminare i vacuum tube. Occupava una parte molto piccola di stanza dotata di aria condizionata. Utilizzava 20.000 diodi e 12.000 transistor ed elaborava word di 16K, con 48K nella memoria centrale. La sua caratteristica più avanzata era il calcolo in virgola mobile. Ciò permetteva agli utenti di poter determinare il cambiamento nella precisione dei risultati secondo la natura del calcolo.

Fermi ed il MANIAC

Anche Enrico Fermi fece largo uso del computer MANIAC, realizzato a Los Alamos nel 1952 sul modello dello IAS Computer e sotto la direzione di Nicholas (Nik) Metropolis.

Fermi divenne rapidamente anche un esperto programmatore; tra le molte applicazioni di cui si occupò figura anche la simulazione numerica di fenomeni non lineari, una tecnica da lui concepita assieme al matematico Stanislaw Ulam e al fisico John Pasta.

Tra i vari dettagli interessanti, si noti la terminologia ancora arcaica: bigit invece di bit; order invece di instruction. Fu grazie a queste sue approfondite esperienze che Fermi, nel 1954, suggerì la costruzione della CEP (Calcolarice Elettronica Pisana) di cui si è già parlato in questo blog.

Appunti di Fermi relativi al computer MANIAC (1952) conservati nel Fermi Archive - University of Chicago Library.

Considerazioni finali

Dopo il 1943, la costruzione dei calcolatori si era dimostrata essenziale agli scopi bellici più di quanto la prima opinione del dott. Bush non avesse fatto supporre, e stava procedendo in diversi centri secondo linee non troppo differenti da quelle che il mio primo rapporto aveva indicato”. Verosimilmente, questa svolta strategica è da ricondurre alle nuove esigenze di calcolo emerse soprattutto con il progetto Manhattan, ma nulla si sa di certo in quanto le applicazioni informatiche alle ricerche nucleari restano coperte da segreto.

In ogni caso, in questo periodo si infittirono i contatti di Wiener con i progettisti di computer, soprattutto con quelli dell’ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), costruito dalla Moore School dell’Università di Pennsylvania per conto della scuola di artiglieria dell’esercito presso Aberdeen, il cui responsabile era il capitano Goldstine, e sul quale si erano concentrati gli interessi di John von Neumann, allora impegnato quale esperto di calcolo e di esplosioni a Los Alamos.

Wiener e Von Neumann organizzarono nel gennaio 1945 un convegno a porte chiuse allo IAS (Institute for Advanced Study) di Princeton, che raccolse oltre a Pitts e McCulloch altri matematici, logici, fisici, ingegneri e neurofisiologi. Il convegno sarà sempre considerato da Wiener come l’atto di nascita della cibernetica ancora senza nome, dove cominciò a formarsi un linguaggio comune condiviso dagli esperti delle macchine, della vita e della mente, ricco di nuovi termini come “analogico” e “digitale”, “quantità d’informazione” e “bit”, “feedback” e “memoria” (memory in luogo del precedente data storage).

Il contributo di Von Neumann alla cibernetica fu decisivo quanto quello di Wiener. Ungherese di nascita (1903-1957), figlio della ricca borghesia ebraica di Budapest (in seguito si convertirà al cristianesimo), con una storia anche lui di ragazzo prodigio alle spalle, laureato in matematica e in chimica, Von Neumann giunse precocemente a ottenere una rilevante posizione negli anni Venti nella scuola matematica di Hilbert a Göttingen. Nel 1931 fu chiamato allo IAS di Princeton che, a differenza del MIT, aveva un indirizzo di ricerca fondamentale e teorica.

Alla prossima :-)