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LABORATORIO INFORMATIVO SCIENTIFICO WATSON

Un centro per la scienzaRicerca usando le macchine di calcolo


Miss Eleanor Krawitz

Tabulating Supervisor
Watson Scientific Computing Laboratory

Columbia Engineering Quarterly, novembre 1949

Negli ultimi anni sono stati fatti grandi progressi in tutti i campi della ricerca scientifica, e un fattore importante in questo progresso è stato l'uso estensivo di metodi e attrezzature di calcolo automatico. Oggi i calcoli vengono eseguiti automaticamente nei laboratori di tutto il paese. Lo sviluppo di questi laboratori di calcolo è di particolare interesse per gli studenti della Columbia poiché i primi sono stati stabiliti qui all'Università. L'ufficio statistico della Columbia University è stato istituito verso la fine degli anni venti per l'uso di educatori e statistici. The Astronomical Bureau, creato nel 1934, diretto dal Dr. WJ Eckert, e gestito congiuntamente dalla Columbia University, dall'American Astronomical Society e dall'International Business Machines Corporation, funzionava come un'organizzazione senza scopo di lucro dove gli astronomi di tutto il mondo potevano venire a hanno eseguito i loro calcoli. Nel 1945, IBM creò un Dipartimento di Scienza Pura, nominò il Dr. Eckert come direttore e fondò il Watson Scientific Computing Laboratory nel campus dell'Università.

Lo scopo principale del laboratorio Watson è la ricerca nei vari rami della scienza, in particolare quelli che riguardano la matematica applicata e il calcolo numerico. I servizi del laboratorio sono offerti gratuitamente a qualsiasi scienziato o studente laureato impegnato in ricerche che contribuisca in modo significativo ai progressi nel campo della scienza e che utilizza macchine calcolatrici per raggiungere tale scopo. Ogni anno due borse di studio Watson Laboratory in matematica applicata vengono assegnate a studenti il ​​cui studio o ricerca comporta calcoli su larga scala. I membri dello staff offrono corsi di istruzione nel loro campo di interesse sotto l'egida dei diversi dipartimenti dell'Università. I corsi per studenti universitari comprendono il funzionamento e l'uso delle macchine e metodi numerici; il credito accademico per i corsi può essere ottenuto registrandosi all'Università nel modo usuale. Classi speciali nel funzionamento delle macchine vengono fornite a intervalli regolari a professionisti, scienziati provenienti da tutto il mondo e studenti laureati che lavorano per le loro lauree. Un'ulteriore funzione del Laboratorio Watson è la diffusione di informazioni tecniche relative a metodi matematici di macchine e tabelle matematiche; è disponibile una biblioteca completa che copre questi argomenti.

La ricerca è stata completata con successo in molti campi della scienza in laboratorio da membri dello staff e da ricercatori in visita. Di seguito è riportato un elenco parziale di progetti completati o in corso:

  • Astronomia: integrazione di orbite di pianeti e asteroidi,
  • Geofisica: tracciamento dei percorsi delle onde sonore sott'acqua per varie profondità e direzioni,
  • Ottica: calcoli che incarnano il metodo del ray tracing,
  • Chimica: calcolo delle energie di risonanza meccanica quantistica di composti aromatici,
  • Ingegneria: costruzione di tavole Spring e Gear e calcolo dei calcoli di stress associati ai carichi sismici,
  • Economia: stime di alcuni coefficienti nelle equazioni dei modelli economici, usando la moltiplicazione e l'inversione della matrice,
  • Fisica: calcolo delle probabilità transizionali di calcio,
  • Cristallografia: valutazione di una trasformata di Fourier per la struttura dell'insulina.

Il laboratorio mantiene un'ampia varietà di macchine di tipo digitale e analogico; la macchina digitale è quella che conta essenzialmente, mentre la macchina analogica effettua misurazioni fisiche. Questi calcolatori sono progettati per risolvere i problemi nel modo più opportuno e per confrontare diversi metodi di soluzione per determinare quello più efficiente.

La maggior parte delle macchine legge e scrive attraverso l'uso della scheda perforata che fornisce un mezzo per gestire i dati automaticamente. Le carte possono quindi essere elaborate attraverso qualsiasi serie di calcolatori e avere qualsiasi sequenza di operazioni desiderata eseguita su di loro. Il principale vantaggio della tecnica della carta perforata è che un gran numero di operazioni simili può essere eseguito in quantità. Dopo aver punzonato i valori iniziali sulle carte, la procedura della macchina è automatica. La punzonatura può avvenire in una qualsiasi delle ottanta colonne della carta. Ciascuna colonna è suddivisa in dodici posizioni distinte, che rappresentano gli interi da 0 a 9 nonché due posizioni di punzonatura speciali denominate X e Y. Il punzone X viene utilizzato principalmente per designare un'operazione speciale o un numero negativo. Le lettere dell'alfabeto sono registrate da due punzoni in una colonna, una combinazione di una X, Y o 0, con uno qualsiasi degli interi da 1 a 9 (vedere la figura 1).


Figura 1. Scheda di tabulazione che mostra 12 posizioni di punzonatura e combinazioni di punzoni per indicare le lettere.

In tutte le macchine il principio di leggere la carta è lo stesso. I fori vengono perforati nelle carte e vengono letti mediante contatti elettrici realizzati attraverso i fori. La carta, che funge da isolante, passa tra una spazzola metallica e un rullo in ottone (vedi figura 2).


Un foro punzonato nella scheda consente al pennello e al rullo di entrare in contatto, completando così un circuito elettrico; l'impulso elettrico è reso disponibile su un pannello di controllo collegabile e il momento dell'impulso è determinato dalla posizione del foro nella scheda. Tutte le funzioni della macchina sono regolate dalla direzione di questi impulsi sul pannello di controllo e, grazie alla flessibilità di questo pannello, è possibile eseguire un gran numero di operazioni. Un'ampia percentuale dei problemi riscontrati nel calcolo numerico può essere gestita in modo efficiente sulle macchine IBM standard. Il primo passo nell'approccio a questi problemi è tradurre i dati originali nella lingua dei calcolatori. Cioè, per registrarlo sotto forma di buchi perforati su carte standard. Questa è la funzione del Key Punch. Le informazioni desiderate vengono trascritte sulla carta premendo i tasti sulla macchina in linea con la colonna appropriata. Queste carte possono essere inserite nel Key Punch sia manualmente che automaticamente. Man mano che ogni colonna viene perforata, la carta avanza automaticamente alla successiva pbsition di punzonatura. I punzoni numerici hanno quattordici chiavi; uno per ciascuna delle dodici posizioni di punzonatura, una chiave di spazio e un tasto di espulsione della carta. I punzoni alfabetici hanno, inoltre, una tastiera per macchina da scrivere che punge automaticamente due fori per colonna. Dopo essere stati codificati dal Key Punch, le carte sono quindi pronte per il passaggio attraverso le altre macchine necessarie per la soluzione del problema.


Il Sorter viene utilizzato per disporre le schede perforate in qualsiasi ordine numerico o alfabetico desiderato a seconda delle informazioni su di esse. Le carte da ordinare vengono alimentate da una tramoggia a un singolo pennello, che legge la colonna selezionata e ordina ogni carta nella giusta delle tredici tasche disponibili. C'è una tasca per ciascuna delle dodici posizioni di punzonatura e una per le colonne vuote. Con gli ordinamenti successivi le carte sono disposte in qualsiasi ordine desiderato. La macchina, che opera ad una velocità di 450 carte al minuto, è dotata di un contatore per registrare il numero di carte che passano.

L'interprete alfabetico è progettato per tradurre le informazioni numeriche o alfabetiche nella carta in cifre stampate su una delle due linee nella parte superiore della carta. In questo modo la scheda perforata viene più facilmente letta e può essere utilizzata sia come scheda di file che nelle macchine.

La Contabilità è un'aggiunta e una macchina da stampa ad alta velocità. Legge i dati da una carta, li aggiunge e li sottrae in contatori e stampa su un foglio di carta le informazioni dalle carte o dai totali dei contatori. La macchina elenca i dati alfabetici o numerici alla velocità di ottanta carte al minuto o accumula fino a ottanta cifre di totali a 150 carte al minuto.

Il Reproducing Punch trascrive tutti o parte dei dati perforati su un set di carte su un altro set, o copia i dati da una carta master su un gruppo di carte dettaglio. Il punzone ha un'unità di comparazione che confronta i due gruppi di dati e indica qualsiasi disaccordo tra i due. La macchina può essere adattata per essere utilizzata come Punch sommario per registrare su una nuova carta importi accumulati nella Contabilità.

Collator esegue alcune delle funzioni di Sorter in modo più efficiente. Archivia due serie di carte insieme, seleziona carte particolari in una delle quattro tasche di selezione, abbina due serie di carte in base a un numero di controllo e controlla la sequenza di un set di carte. La macchina è molto flessibile e consente la gestione delle carte secondo uno schema complicato che prevede il confronto di due numeri di controllo. Le carte possono passare attraverso il Collator alla velocità di 240 a 480 al minuto.


L'Electronic Calculating Punch è una macchina ad alta velocità che utilizza circuiti elettronici per eseguire tutte le operazioni di base. Aggiunge, sottrae, moltiplica e divide i numeri immessi in essa su una carta e punge le risposte sulla stessa carta o su una successiva. Esegue queste operazioni ripetutamente e in qualsiasi ordine in una frazione di secondo. Il Calculating Punch legge i fattori punzonati su una carta ed esegue aggiunte, sottrazioni, moltiplicazioni e divisioni, in qualsiasi ordine desiderato. Risultati separati possono essere perforati per ogni tipo di calcolo, oppure i risultati possono essere archiviati e utilizzati come fattore per i calcoli successivi. Questa macchina ha calcolato le differenze dell'ottavo ordine di una funzione a undici cifre e molte equazioni complicate che implicano un numero elevato di operazioni.

Oltre alle macchine standard sopra descritte, ci sono in laboratorio alcuni calcolatori appositamente progettati che funzionano tramite reti di relè e circuiti elettronici. Di seguito una breve descrizione di queste macchine speciali.

Il Relay Calculator esegue tutte le operazioni aritmetiche di base, compresa la determinazione delle radici quadrate attraverso una complicata rete di relè. L'estrema flessibilità di questo calcolatore è dovuta alla sua grande memoria interna, alla sua velocità nell'esecuzione dei calcoli, alla sua capacità di leggere simultaneamente quattro schede e perforare un quinto, e alla sua capacità di operare con un programma ampio e vario. La macchina è dotata di un circuito di fascicolazione per facilitare le operazioni di ricerca della tabella. Sono stati risolti molti problemi complessi su un calcolatore di rilancio, tra cui la moltiplicazione di serie armoniche, la moltiplicazione di matrici e le equazioni differenziali del sesto ordine.

Il calcolatore di sequenza a schede è costituito da una macchina contabile che legge, aggiunge, sottrae e memorizza i dati, un punch di riepilogo che punge i valori finali, una scatola di rilancio per garantire flessibilità di controllo delle operazioni e un'unità che esegue moltiplicazioni e divisioni. Le operazioni degli altri calcolatori sono solitamente programmate attraverso il cablaggio sul pannello di controllo, mentre questa macchina ha essenzialmente un pannello di controllo di base impostato ed è governato da punzoni codificati nella scheda. Questo calcolatore ha dimostrato di essere particolarmente abile nel calcolare le orbite degli asteroidi.

Linear Equation Solver è un dispositivo elettrico per la soluzione di equazioni lineari simultanee fino al dodicesimo ordine incluso. Dopo che i coefficienti delle equazioni sono stati impostati su quadranti, interruttori o schede perforate, le diverse variabili vengono regolate fino a ottenere una soluzione. Il metodo di soluzione è quello che fornisce una convergenza molto rapida. Questa macchina è stata costruita in laboratorio da Robert M. Walker, un membro del nostro staff, e dal professor Francis J. Murray del dipartimento di matematica dell'università.

La macchina per la misurazione e la registrazione controllata dalla scheda è progettata principalmente per la misurazione di fotografie astronomiche, sebbene possa essere facilmente applicata alle fotografie in qualsiasi campo. Una lastra fotografica di una parte del cielo che include la stella in questione viene introdotta nella macchina insieme a una scheda perforata che indica le coordinate approssimative della stella. La macchina legge automaticamente la scheda perforata, individua la stella sulla lastra fotografica da queste coordinate approssimative, misura accuratamente la sua posizione e registra questa misurazione su una scheda. Il record della scheda perforata è quindi disponibile per il trattamento matematico.

Dall'avvio dell'Ufficio Astronomico nel 1934, diversi gruppi di altri laboratori di carte perforate sono stati istituiti in tutta l'industria e il governo. Quei laboratori in funzione durante gli anni di guerra hanno svolto un ruolo fondamentale nel nostro programma di difesa nazionale. In questo gruppo c'erano i Laboratori di ricerca balistica di Aberdeen, Maryland e Dahlgren, in Virginia. In questa stessa categoria c'era l'osservatorio navale statunitense che preparava tavole astronomiche per la navigazione aerea e marina, l'astronomia e il rilevamento. Nell'industria, i laboratori informatici hanno assunto un ruolo preminente nella ricerca scientifica pura e applicata. Le tecniche con schede perforate sono state impiegate, ad esempio, nella soluzione di problemi relativi all'analisi dello sforzo e della deformazione delle strutture dell'aeromobile e all'analisi delle vibrazioni di macchinari di grandi dimensioni.

Un'illustrazione dell'applicazione delle apparecchiature a schede perforate nei problemi dell'industria si pone nella progettazione e nella costruzione di navi, dove è necessario specificare le posizioni esatte di un gran numero di punti sulla superficie. Il progettista può realizzare ciò considerando varie sezioni trasversali attraverso lo scafo e rappresentando il contorno di ciascuna di queste sezioni da un polinomio di, diciamo, il quinto grado (vedi figura 3).

Figura 3. Sezione trasversale attraverso il vaso
I valori delle costanti, a0, ..., a5, nell'equazione varieranno con ciascuna sezione presa, a causa della curvatura della superficie nella direzione longitudinale. Pertanto, se la nave è divisa in 200 sezioni trasversali, ed è necessario determinare 100 punti su ciascun lato dello scafo per ogni sezione trasversale, il polinomio dovrebbe essere valutato 20.000 volte. L'uso di schede perforate nella soluzione di questo problema traduce un lavoro estremamente macchinoso in uno che viene automaticamente calcolato dalla macchina dopo che la pianificazione originale è stata completata.



La signorina Eleanor Krawitz, che detiene il primato di essere la prima autrice femminile a contribuire alla COLOMBIA ENGINEERING QUARTERLY, può vantare un buon numero di altre importanti realizzazioni. Si è laureata nel 1943 presso la Samuel I. Tilden High School di Brooklyn, dove è stata membro della società onoraria scolastica "Arista". Al Brooklyn College è stata tesoriere di Pi Mu Epsilon, società onoraria di Matematica, fino a quando non ha ricevuto il suo B.A. in Matematica nel 1947. Ha poi lavorato come insegnante sostitutiva nella Midwood High School e nella sua Alma Mater, Tilden High, ma ha messo da parte la sua carriera di insegnante di scuola superiore per prendere il suo M.A. in Matematica alla Columbia.

Oggi Miss Krawitz è Tabulating Supervisor presso il I.B.M. Thomas J. Watson Computing Laboratory della Columbia University. Non solo istruisce le lezioni di astronomia nella Graduate School per il funzionamento dei computer, ma è anche impegnata nella creazione di procedure per il calcolo dei problemi in fisica, matematica e astronomia.

Contributo di: Eleanor Krawitz Kolchin, novembre 2003.
Scansionato e convertito in HTML: Sat Nov 22 17:06:54 2003

Anche dall'autore:

Krawitz, Eleanor, "Tabelle matematiche a schede perforate su apparecchiature IBM standard", Atti, Seminario di computazione industriale, IBM, New York (settembre 1950), pp.52-56.
Krawitz, Eleanor, "Matrix by Vector Multiplication su IBM Type 602-A Calculating Punch", Atti, Seminario di computazione industriale, IBM, New York (settembre 1950), pp.66.70
Green, Louis C., Nancy E. Weber, e Eleanor Krawitz, "L'uso delle energie calcolate e osservate nel calcolo delle forze dell'oscillatore e la regola f-Sum" Journal Astrophysical, Vol.113 No.3 (maggio 1951), pp.690-696.

Link alla pagina originale: http://www.columbia.edu/cu/computinghistory/krawitz/index.html






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