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ハーバード・マークI、またはIBM自動シーケンス制御計算機（ASCC ）は、第二次世界大戦末期に戦争遂行のために使用された、初期の汎用電気機械式計算機の1つであった。
Mark Iで最初に実行されたプログラムの一つは、1944年3月29日にジョン・フォン・ノイマンによって開始された[ 1 ]。当時、フォン・ノイマンはマンハッタン計画に携わっており、翌年使用される原子爆弾の起爆方法として爆縮が実現可能かどうかを判断する必要があった。Mark Iはまた、数学表の計算と印刷も行っていた。これは、1837年にイギリスの発明家チャールズ・バベッジが解析機関で当初目指していたことだった。
エドマンド・バークレーによれば、マークIのオペレーターはベッセル関数にちなんで、この機械を「ベッシー、ベッセルエンジン」と呼ぶことが多かった。[ 2 ]
Mark I は 1959 年に解体され、一部は IBM に、一部はスミソニアン博物館に、そして一部はハーバード大学の歴史科学機器コレクションに収蔵されました。数十年間、ハーバード大学が所有する部分はエイケン計算研究所のロビーに展示されていました。1997 年頃、ハーバード科学センターに移設されました。2021 年に、マサチューセッツ州オールストンにあるハーバード大学の新しい科学工学複合施設のロビーに再び移設されました。[ 3 ]
ハーバード・マークIの起源は、1935年にハワード・エイケンがハーバード大学で物理学の大学院課程を履修中に、強力な大規模計算機の構築を構想したことに遡ります。エイケンは1937年11月にIBMに自動計算機の提案を提出しました。[ 4 ] [ 5 ]このコンセプトは高度な数学的問題を解決することを目的としていました。[ 6 ] IBMのエンジニアによる実現可能性調査の後、同社の会長であるトーマス・ワトソン・シニアは1939年2月に個人的にプロジェクトとその資金提供を承認しました。
ハワード・エイケンは1937年初頭に計算機の設計と製造を依頼する会社を探し始めた。2社に断られた後、[ 7 ]チャールズ・バベッジの息子が70年前にハーバード大学に寄贈したデモンストレーション装置を見せられた。これがきっかけでエイケンはバベッジの研究を始め、提案書に解析機関への言及を加えた。その結果完成した機械は「バベッジの解析機関の原理をほぼ完全に実現しつつ、重要な新機能を追加した」[ 8 ] 。
1941年、エイケンは第二次世界大戦で海軍に召集されたため、プロジェクトを一時中断せざるを得なかった。[ 6 ] ASCCは1943年初頭にIBMのエンディコット工場で開発・製造され、 1944年2月にハーバード大学に出荷された。[ 5 ] 5月には米国海軍艦艇局の計算を開始し、1944年8月7日に正式に大学に寄贈された。[ 9 ]
この機械は最初の実用的なコンピュータではなかったものの、複雑な計算の実行を自動化した最初の機械であり、コンピューティングにとって大きな進歩となった。[ 10 ]
ASCCは、スイッチ、リレー、回転軸、クラッチで構成されていました。765,000個の電気機械部品と数百マイルの配線を使用し、体積は816立方フィート（23 m³ ）、長さ51フィート（16 m） 、高さ8フィート（2.4 m）、奥行き2フィート（0.61 m）でした。重量は約9,445ポンド（4.7ショートトン、4.3 t）でした。[ 11 ]基本的な計算ユニットは機械的に同期および駆動される必要があったため、 5馬力（3.7 kW）の電動モーターに接続された50フィート（15 m）の駆動軸によって動作し、この電動モーターが主電源およびシステムクロックとして機能しました。IBMアーカイブより:
自動シーケンス制御計算機（ハーバード マーク I）は、長い計算を自動的に実行できる最初のオペレーティング マシンでした。ハーバード大学のハワード エイケン博士が考案したプロジェクトであるマーク I は、ニューヨーク州エンディコットの IBM エンジニアによって製造されました。長さ 51 フィート、高さ 8 フィートの鋼鉄製のフレームに計算機が収められており、計算機は、わずか数インチの奥行きの小さなギア、カウンター、スイッチ、制御回路が連動するパネルで構成されていました。ASCC は、 300 万の接続を持つ500 マイル (800 km)のワイヤー、35,000 接点を持つ 3,500 個の多極リレー、2,225 個のカウンター、1,464 個の 10 極スイッチ、およびそれぞれ 23 個の有効数字を持つ 72 段の加算機を使用していました。これは業界最大の電気機械式計算機でした。[ 12 ]
Mark I の筐体は、未来的なアメリカ人工業デザイナーのノーマン・ベル・ゲデスが IBM の費用で設計した。エイケンは、その費用 (グレース・ホッパーによれば 5 万ドル以上) が追加のコンピュータ機器の製造に使われなかったことに腹を立てた。 [ 13 ]
Mark I には、手動データ入力用の 24 個のスイッチが 60 セットあり、それぞれ 23 桁の 10 進数である 72 個の数値を保存できました。[ 14 ] 1 秒間に 3 回の加算または減算を実行できました。乗算には 6 秒、除算には 15.3 秒、対数または三角関数には 1 分以上かかりました。[ 15 ]
Mark I は24 チャンネルのパンチ紙テープから命令を読み込んだ。現在の命令を実行してから、次の命令を読み込んだ。別のテープには入力用の数値を格納できたが、テープのフォーマットは互換性がなかった。命令は記憶レジスタから実行できなかった。命令は作業メモリに格納されなかったため、ハーバード Mark I がハーバード アーキテクチャの起源であると広く主張されている。しかし、これはIEEE Annals of the History of Computingに掲載されたThe Myth of the Harvard Architecture [ 16 ]で異議を唱えられており、 「ハーバード アーキテクチャ」という用語は 1970 年代 (マイクロコントローラの文脈で) まで使用されておらず、ハーバード マシンに遡及的に適用されただけであり、この用語はMark IIIとIVにのみ適用でき、Mark I やIIには適用できないことが示されている。
メインシーケンス機構は一方向でした。これは、複雑なプログラムは物理的に長くなる必要があることを意味しました。プログラムのループは、ループの展開、またはプログラムを含む紙テープの末尾をテープの先頭に再び接続することによって実現されました（文字通りループを作成します）。当初、 Mark I の条件分岐は手動で実行されていました。1946 年の後の変更により、自動プログラム分岐 (サブルーチン呼び出しによる) が導入されました。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] Mark I の最初のプログラマーは、コンピューティングのパイオニアであるRichard Milton Bloch、Robert Campbell、およびGrace Hopperでした。[ 22 ]また、実際にマシンを操作する任務を負った小規模な技術チームもありました。その一部は、マシンの作業のために海軍に入隊する必要が生じる前に IBM の従業員でした。[ 23 ]この技術チームは、ハーバードにいる間、自分たちの作業の全体的な目的を知らされていませんでした。
入力テープの 24 チャンネルは、それぞれ 8 チャンネルの 3 つのフィールドに分割されました。各記憶場所、各スイッチセット、および入力、出力、および演算ユニットに関連付けられたレジスタには、一意の識別インデックス番号が割り当てられました。これらの番号は、制御テープ上でバイナリで表現されました。最初のフィールドは演算結果のバイナリ インデックス、2 番目のフィールドは演算のソースデータ、3 番目のフィールドは実行される演算のコードでした。 [ 14 ]
1928年、LJ コムリーはIBMの「パンチカード装置を科学用途に転用した最初の人物」であり、「バベッジが100年前に差分機関のために構想した有限差分法による天文表の計算」を行った。[ 24 ]その後まもなく、IBMはこの種の計算を容易にするために集計機の改良に着手した。1931年に製造された集計機の1つがコロンビア差分集計機である。[ 25 ]
ジョン・フォン・ノイマンはロスアラモスにチームを率いて、「改造したIBMパンチカードマシン」[ 26 ]を使用して爆縮の影響を調べていた。1944年3月、彼はマークIで爆縮に関するいくつかの問題を実行することを提案し、2人の数学者とともにハーバード大学に到着し、最初の原子爆弾の爆縮を研究するためのシミュレーションプログラムを書き始めた。[ 1 ]
ロスアラモス研究グループはケンブリッジ研究グループよりもはるかに短い時間で作業を完了した。しかし、パンチカードマシンの操作では小数点以下6桁までしか計算できなかったのに対し、Mark Iでは小数点以下18桁まで計算できた。さらに、Mark Iは偏微分方程式をはるかに小さな間隔サイズ（またはより小さなメッシュ）で積分したため、はるかに高い精度を達成した。[ 26 ]
「フォン・ノイマンは1943年にマンハッタン計画に参加し、原子爆弾の製造に必要な膨大な数の計算に取り組んだ。彼は、後にトリニティ爆弾やファットマン爆弾で使用されることになる爆縮設計が、銃設計よりも速く効率的である可能性が高いことを示した。」[ 27 ]
エイケンは、マーク I を発表するプレスリリースを発表し、自身を唯一の発明者として記載した。IBM からはジェームズ W. ブライスのみが言及されたが、クレア レイクやフランク ハミルトンを含む数名の IBM エンジニアがさまざまな要素の構築に協力していた。IBM 会長のトーマス J. ワトソンは激怒し、1944 年 8 月 7 日の献呈式にはしぶしぶ出席しただけだった。[ 28 ] [ 29 ]エイケンは、IBM の協力なしにさらにマシンを構築することを決定し、ASCC は一般に「ハーバード マーク I」として知られるようになった。IBM は、新しい技術をテストし、会社の取り組みをより宣伝するために、選択シーケンス電子計算機(SSEC) を構築した。 [ 28 ]
Mark I に続いて、ハーバード Mark II (1947 年または 1948 年)、Mark III/ADEC (1949 年 9 月)、ハーバード Mark IV (1952 年) が開発されました。これらはすべてエイケン氏の研究によるものです。Mark II は Mark I の改良版でしたが、依然として電気機械式リレーをベースとしていました。Mark III は主に電子部品(真空管と結晶ダイオード)を使用しましたが、機械部品も含まれていました。記憶用の回転磁気ドラムと、ドラム間でデータを転送するためのリレーです。Mark IV は完全に電子式で、残りの機械部品を磁気コアメモリに置き換えました。Mark II と Mark III は、バージニア州ダールグレンの米海軍基地に納入されました。Mark IV は米空軍向けに製造されましたが、ハーバード大学に留まりました。
マークIは1959年に解体され、その一部はハーバード大学歴史的科学機器コレクションの一部としてサイエンスセンターに展示された。 2021年7月にはオールストンの新しい科学技術複合施設に移設された。[ 30 ]元の機械の他の部分は、それよりずっと前にIBMとスミソニアン博物館に移管されていた。[ 31 ]