WATSON SCIENTIFIC COMPUTING LABORATORY

Center za znanstvene

raziskave z uporabo računskih strojev

Gospodična Eleanor Krawitz
Tabulating Supervisor
Watson Scientific Computing Laboratory

Columbia Engineering Quarterly, november 1949

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

MED _v zadnjih letih so bili narejeni veliki koraki na vseh področjih znanstvenih raziskav, glavni dejavnik tega napredka pa je bila obsežna uporaba avtomatskih računalniških metod in opreme. Danes se izračuni izvajajo samodejno v laboratorijih po vsej državi. Razvoj teh računalniških laboratorijev je še posebej zanimiv za študente Columbie, saj so bili prvi ustanovljeni tukaj na univerzi. Statistični urad Columbia University je bil ustanovljen v poznih dvajsetih letih za uporabo učiteljev in statistikov. Astronomski urad, ustanovljen leta 1934, ki ga vodi dr. WJ Eckert in ga skupaj upravljajo Univerza Columbia, Ameriško astronomsko društvo in International Business Machines Corporation, delovala kot neprofitna organizacija, kamor so lahko prihajali astronomi z vsega sveta, da bi opravili svoje izračune. Leta 1945 je IBM ustanovil Oddelek za čisto znanost, imenoval dr. Eckerta za njegovega direktorja in ustanovil Watson Scientific Computing Laboratory v univerzitetnem kampusu.

Primarni namen Laboratorija Watson so raziskave v različnih vejah znanosti, zlasti tistih, ki vključujejo uporabno matematiko in numerične izračune. Storitve laboratorija so brezplačno na voljo vsem znanstvenikom ali podiplomskim študentom, ki se ukvarjajo z raziskavami, ki pomembno prispevajo k napredku na področjih znanosti in za doseganje tega cilja uporabljajo računske stroje. Vsako leto sta podeljeni dve štipendiji Laboratorija Watson za uporabno matematiko študentom, katerih študij ali raziskava vključuje obsežne izračune. Člani osebja nudijo tečaje poučevanja na svojem interesnem področju pod okriljem različnih oddelkov univerze. Tečaji za podiplomske študente vključujejo upravljanje in uporabo strojev, in numerične metode; akademski kredit za tečaje je mogoče pridobiti z registracijo na univerzi na običajen način. Strokovnjaki, gostujoči znanstveniki z vsega sveta in podiplomski študenti, ki delajo za svoje doktorske diplome, se v rednih časovnih presledkih izvajajo posebna predavanja o upravljanju strojev. Dodatna funkcija Laboratorija Watson je razširjanje tehničnih informacij o matematičnih strojnih metodah in matematičnih tabelah; na voljo je obsežna knjižnica, ki pokriva te teme. Dodatna funkcija Laboratorija Watson je razširjanje tehničnih informacij o matematičnih strojnih metodah in matematičnih tabelah; na voljo je obsežna knjižnica, ki pokriva te teme. Dodatna funkcija Laboratorija Watson je razširjanje tehničnih informacij o matematičnih strojnih metodah in matematičnih tabelah; na voljo je obsežna knjižnica, ki pokriva te teme.

V laboratoriju so sodelavci in gostujoči znanstveniki uspešno zaključili raziskave na številnih področjih znanosti. Sledi delni seznam projektov, ki so dokončani ali v teku:

• Astronomija: integracija orbit planetov in asteroidov,
• Geofizika: sledenje poti zvočnih valov pod vodo za različne globine in smeri,
• Optika: izračuni, ki vključujejo metodo sledenja žarkom,
• Kemija: izračun kvantno mehanskih resonančnih energij aromatskih spojin,
• Inženiring: izdelava tabel vzmeti in zobnikov ter računanje izračunov napetosti, povezanih s potresnimi obremenitvami,
• Ekonomija: ocene določenih koeficientov v enačbah ekonomskih modelov z uporabo matričnega množenja in inverzije,
• Fizika: izračuni prehodnih verjetnosti kalcija,
• Kristalografija: vrednotenje Fourierove transformacije za strukturo insulina.

Laboratorij vzdržuje široko paleto digitalnih in analognih strojev; digitalni stroj je tisti, ki v bistvu šteje, medtem ko analogni stroj izvaja fizične meritve. Ti kalkulatorji so zasnovani za reševanje problemov na najprimernejši način in za primerjavo različnih metod rešitve za določitev najučinkovitejšega.

Večina strojev bere in piše z uporabo luknjane kartice, ki omogoča samodejno obdelavo podatkov. Kartice je tako mogoče obdelati s katero koli serijo kalkulatorjev in na njih izvajati poljubno zaporedje operacij. Glavna prednost tehnike luknjanih kartic je, da je mogoče izvesti veliko število podobnih operacij v količini. Po luknjanju začetnih vrednosti na karticah je strojni postopek avtomatski. Luknjanje lahko poteka v katerem koli od osemdesetih stolpcev kartice. Vsak stolpec je razdeljen na dvanajst različnih položajev, ki predstavljajo cela števila od 0 do 9 ter dva posebna položaja za luknjanje, imenovana X in Y. Luknjač X se uporablja predvsem za označevanje posebne operacije ali negativnega števila. Črke abecede so zapisane z dvema luknjačema v stolpcu,

Slika 1. Tabelarična kartica, ki prikazuje 12 položajev luknjanja in kombinacije luknjanj za označevanje črk.

V vseh napravah je princip branja kartice enak. Luknje so preluknjane v kartice in se berejo z električnimi kontakti, narejenimi skozi luknje. Kartica, ki deluje kot izolator, poteka med žično krtačo in medeninastim valjem (glej sliko 2).

Luknja, preluknjana v kartici, omogoča, da se čopič in valjček dotakneta in tako skleneta električni krog; električni impulz je na voljo na vtični nadzorni plošči, čas impulza pa je določen s položajem luknje na kartici. Vse funkcije stroja se upravljajo s smerjo teh impulzov na nadzorni plošči in zaradi prilagodljivosti te plošče je mogoče izvesti veliko število operacij. Velik odstotek težav, ki se pojavljajo pri numeričnem računanju, je mogoče učinkovito rešiti na standardnih IBM-ovih strojih. Prvi korak pri pristopu k tem težavam je prevajanje izvirnih podatkov v jezik kalkulatorjev. To pomeni, da ga posnamete v obliki luknjanih lukenj na standardnih karticah. To je funkcija Key Punch. Želene informacije se prepišejo na kartico s pritiskom tipk na napravi v skladu z ustreznim stolpcem. Te kartice se lahko v Key Punch vstavi ročno ali samodejno. Ko je vsak stolpec luknjan, se kartica samodejno premakne na naslednjo luknjalno mesto. Številčni udarci imajo štirinajst tipk; po enega za vsakega od dvanajstih položajev luknjanja, tipko za presledek in tipko za izmet kartice. Abecedni luknjači imajo poleg tega tipkovnico pisalnega stroja, ki samodejno luknja dve luknji na stolpec. Po kodiranju s Key Punch so kartice nato pripravljene za prehod skozi kateri koli drug stroj, ki je potreben za rešitev problema. Ko je vsak stolpec luknjan, se kartica samodejno premakne na naslednjo luknjalno mesto. Številčni udarci imajo štirinajst tipk; po enega za vsakega od dvanajstih položajev luknjanja, tipko za presledek in tipko za izmet kartice. Abecedni luknjači imajo poleg tega tipkovnico pisalnega stroja, ki samodejno luknja dve luknji na stolpec. Po kodiranju s Key Punch so kartice nato pripravljene za prehod skozi kateri koli drug stroj, ki je potreben za rešitev problema. Ko je vsak stolpec luknjan, se kartica samodejno premakne na naslednjo luknjalno mesto. Številčni udarci imajo štirinajst tipk; po enega za vsakega od dvanajstih položajev luknjanja, tipko za presledek in tipko za izmet kartice. Abecedni luknjači imajo poleg tega tipkovnico pisalnega stroja, ki samodejno luknja dve luknji na stolpec. Po kodiranju s Key Punch so kartice nato pripravljene za prehod skozi kateri koli drug stroj, ki je potreben za rešitev problema.

Sorter se uporablja za razvrščanje luknjanih kartic v poljubnem številčnem ali abecednem vrstnem redu, odvisno od informacij na njih. Karte, ki jih je treba razvrstiti, se podajo iz lijaka v posamezno krtačo, ki prebere izbrani stolpec in razvrsti vsako karto v ustreznega enega od trinajstih razpoložljivih žepov. Obstaja žep za vsakega od dvanajstih položajev luknjanja in en žep za prazne stolpce. Z zaporednim razvrščanjem se karte razporedijo v poljubnem vrstnem redu. Naprava, ki deluje s hitrostjo 450 kartic na minuto, je opremljena s števcem za beleženje števila pretečenih kartic.

Abecedni tolmač je zasnovan za prevajanje številskih ali abecednih informacij na kartici v natisnjene številke v eni od dveh vrstic na vrhu kartice. Tako je luknjano kartico lažje brati in jo je mogoče uporabiti kot kartotečno kartico, pa tudi v napravah.

Računovodski stroj je hiter stroj za seštevanje in tiskanje. Prebere podatke s kartice, jih sešteva in odšteva v števce ter na list papirja natisne podatke s kartic ali vsote iz števcev. Naprava izpiše abecedne ali številske podatke s hitrostjo osemdeset kartic na minuto ali pa zbere kar osemdeset števk vsot pri 150 karticah na minuto.

Reproducing Punch prepiše vse ali kateri koli del podatkov, preluknjanih na enem nizu kartic, na drug komplet ali kopira podatke z ene glavne kartice na skupino kartic s podrobnostmi. Luknjač ima primerjalno enoto, ki primerja dva niza podatkov in nakazuje morebitna nesoglasja med njima. Napravo je mogoče prilagoditi za uporabo kot Summary Punch za beleženje zneskov, ki so bili zbrani v računovodski napravi, na novo kartico.

Collator izvaja nekatere funkcije sorterja na učinkovitejši način. Združi dva niza kart, izbere določene karte v katerem koli od štirih izbirnih žepov, poveže dva kompleta kart glede na kontrolno številko in preveri zaporedje niza kart. Stroj je zelo prilagodljiv in omogoča ravnanje s kartami po zapletenem vzorcu, ki vključuje primerjavo dveh kontrolnih številk. Kartice lahko gredo skozi Collator s hitrostjo od 240 do 480 kartic na minuto.

Elektronski računski luknjač je hiter stroj, ki uporablja elektronska vezja za izvajanje vseh osnovnih operacij. Sešteva, odšteva, množi in deli števila, vnesena vanj na kartici, ter luknja odgovore na isti kartici ali naslednji. Te operacije izvaja večkrat in v poljubnem vrstnem redu v delčku sekunde. Izračunski luknjač bere faktorje, preluknjane na kartici, in izvaja seštevanja, odštevanja, množenja in deljenja v poljubnem vrstnem redu. Ločeni rezultati se lahko preluknjajo za vsako vrsto izračuna ali pa se rezultati shranijo in uporabijo kot faktor za naslednje izračune. Ta stroj je izračunal razlike osmega reda enajstmestne funkcije in številne zapletene enačbe, ki vključujejo veliko število operacij.

Poleg standardnih strojev, opisanih zgoraj, je v laboratoriju več posebej zasnovanih kalkulatorjev, ki delujejo s pomočjo relejnih omrežij in elektronskih vezij. Spodaj je kratek opis teh posebnih strojev.

Relejni kalkulator izvaja vse osnovne aritmetične operacije, vključno z določanjem kvadratnih korenov prek zapletenega relejnega omrežja. Izjemna prilagodljivost tega kalkulatorja je posledica njegovega velikega notranjega pomnilnika, njegove hitrosti pri izvajanju izračunov, njegove zmožnosti hkratnega branja štirih kartic in preluknjanja pete ter njegove zmogljivosti za delovanje po obsežnem in raznolikem programu. Stroj je opremljen z vezjem za zbiranje, ki olajša postopke iskanja po tabeli. Na relejnem kalkulatorju je bilo rešenih zelo veliko zapletenih problemov, vključno z množenjem harmoničnih nizov, množenjem matrik in diferencialnih enačb šestega reda.

Kalkulator zaporedja, ki ga upravlja kartica, je sestavljen iz računovodskega stroja, ki bere, sešteva, odšteva in shranjuje podatke, rezalnika za povzetek, ki prebija končne vrednosti, relejske omarice, ki zagotavlja fleksibilnost nadzora operacij, in enote, ki izvaja množenja in deljenja. Delovanje drugih kalkulatorjev se običajno programira prek napeljave na nadzorni plošči, medtem ko ima ta stroj v bistvu eno osnovno nadzorno ploščo in se upravlja s kodiranimi udarci na kartici. Ta kalkulator se je izkazal za posebej spretnega pri računanju orbit asteroidov.

Reševalec linearnih enačb je električna naprava za reševanje simultanih linearnih enačb do vključno dvanajstega reda. Ko so koeficienti enačb nastavljeni na številčnicah, stikalih ali luknjanih karticah, se različne spremenljivke prilagajajo, dokler ne dobimo rešitve. Metoda rešitve je tista, ki daje zelo hitro konvergenco. Ta stroj sta v laboratoriju izdelala g. Robert M. Walker, član našega osebja, in profesor Francis J. Murray z oddelka za matematiko univerze.

Merilni in snemalni stroj, krmiljen s kartico, je zasnovan predvsem za merjenje astronomskih fotografij, čeprav ga je mogoče zlahka uporabiti za fotografije na katerem koli področju. Fotografska plošča dela neba, ki vključuje zadevno zvezdo, se vstavi v stroj skupaj z luknjano kartico, ki prikazuje približne koordinate zvezde. Stroj nato samodejno prebere luknjano kartico, na podlagi teh približnih koordinat poišče zvezdo na fotografski plošči, natančno izmeri njen položaj in to meritev zabeleži na kartico. Zapis luknjane kartice je nato na voljo za matematično obdelavo.

Od ustanovitve Astronomskega urada leta 1934 je bilo v industriji in vladi ustanovljenih več deset drugih laboratorijev za luknjane kartice. Ti laboratoriji, ki so delovali v vojnih letih, so imeli ključno vlogo v našem nacionalnem obrambnem programu. V tej skupini sta bila balistična raziskovalna laboratorija v Aberdeenu v Marylandu in Dahlgrenu v Virginiji. V tej isti kategoriji je bil ameriški pomorski observatorij, ki je pripravil astronomske tabele za uporabo v zračni in pomorski navigaciji, astronomiji in geodetstvu. V industriji so računalniški laboratoriji prevzeli pomembno vlogo tako v čistih kot uporabnih znanstvenih raziskavah. Tehnike luknjanih kartic so bile uporabljene na primer pri reševanju problemov, povezanih z analizo napetosti in deformacij konstrukcij letal in analizo vibracij velikih strojev.

Ilustracija uporabe opreme za luknjane kartice v problemih industrije se pojavi pri načrtovanju in konstrukciji ladij, kjer je treba določiti natančne lokacije velikega števila točk na površini. Projektant lahko to doseže tako, da upošteva različne prereze skozi trup in predstavi obris vsakega od teh odsekov s polinomom, recimo, pete stopnje (glej sliko 3).

Slika 3. Prečni prerez skozi žilo

Vrednosti konstant, a 0 , …, a 5 , v enačbi se bodo spreminjale z vsakim odsekom zaradi ukrivljenosti površine v vzdolžni smeri. Če torej plovilo razdelimo na 200 prerezov in je treba za vsak prerez določiti 100 točk na vsaki strani trupa, bi morali polinom ovrednotiti 20.000-krat. Uporaba opreme za luknjane kartice pri rešitvi tega problema prevede izjemno okorno delo v delo, ki ga avtomatsko izračuna stroj po zaključku prvotnega načrtovanja.

Gospodična Eleanor Krawitz, ki se odlikuje po tem, da je prva ženska avtorica, ki je prispevala k COLUMBIA ENGINEERING QUARTERLY, se lahko pohvali s številnimi drugimi pomembnimi dosežki. Leta 1943 je diplomirala na srednji šoli Samuel I. Tilden v Brooklynu, kjer je bila članica šolskega častnega društva "Arista". Na kolidžu Brooklyn je bila blagajničarka Pi Mu Epsilon, častne matematične družbe, dokler leta 1947 ni diplomirala iz matematike. Nato je delala kot nadomestna učiteljica na srednji šoli Midwood in na svoji Alma Mater, srednji šoli Tilden, a jo je kmalu zapustila. srednješolski učiteljski poklic, da bi opravila magisterij iz matematike na Columbii.

Danes je gdč. Krawitz nadzornica tabele v računalniškem laboratoriju IBM Thomas J. Watson na univerzi Columbia. Ne samo, da poučuje pouk astronomije na podiplomski šoli o delovanju računalnikov, temveč se ukvarja tudi s postavljanjem postopkov za izračun problemov v fiziki, matematiki in astronomiji.

Eleanor Krawitz Kolchin je umrla v petek, 25. januarja 2019, v starosti 92 let v Boca Ratonu na Floridi. Bila je navdušena nad pozornostjo, ki je je bila deležna pozno v življenju zaradi objave tega članka na internetu leta 2003 in njegovega prevoda v toliko jezikov. Njene zadnje besede, ki mi jih je namenila (oktobra 2018), so bile "Tukaj skoraj vse ne deluje. Oooooo".

Prispevek: Eleanor Krawitz Kolchin, november 2003.
Skenirano in pretvorjeno v HTML: Sat Nov 22 17:06:54 2003
Pretvorjeno v HTML5: Sat Feb 23 08:52:56 2019

Tudi avtor:

• Krawitz, Eleanor, "Matematične tabele luknjanih kartic na standardni IBM-ovi opremi", zbornik predavanj, seminar industrijskega računalništva , IBM, New York (september 1950), str.52-56.
• Krawitz, Eleanor, "Matrika z vektorskim množenjem na IBM Type 602-A Calculating Punch", Zbornik predavanj, Industrial Computation Seminar , IBM, New York (september 1950), str.66-70.
• Green, Louis C., Nancy E. Weber in Eleanor Krawitz, "Uporaba izračunanih in opazovanih energij pri izračunu jakosti oscilatorjev in pravila vsote f" , Astrophysical Journal , Vol.113 No.3 (maj 1951), str.690-696.
• Green, Louis C., Marjorie M. Mulder, Paul C. Milner, Margaret N. Lewis, John W. Woll, Jr., Eleanor K. Kolchin in David Mace, "Analiza triparametrske valovne funkcije Hylleraas za osnovno stanje He i v smislu valovnih funkcij centralnega polja", Physical Review 96, 319, 15. oktober 1954.
• Green, Louis C., Satoshi Matsushima, Cynthia Stephens, Eleanor K. Kolchin, Majorie M. Kohler, Yenking Wang, Barbara B. Baldwin in Robert J. Wisner, "Učinek na energijo povečane prožnosti v ločljivem faktorju Hylleraasa -Atomske valovne funkcije tipa od H− do O VII", Physical Review 112, 1187, 15. november 1958.
• Green, Louis C.; Matsushima, Satoshi; Kolchin, Eleanor K., "Tabele kontinuumskih valovnih funkcij za vodik", Dodatek k reviji Astrophysical Journal, vol. 3, november 1958, str.459.
• Green, Louis C., Cynthia Stephens, Eleanor K. Kolchin, et al., "He I Ground‐State Wave Function of the Form ψ=f(r1)f(r2)g(r12)", Journal of Chemical Physics 30 , 1061 (1959).
• Green, Louis C., Eleanor K. Kolchin, Norma C. Johnson, "Valne funkcije za vzbujena stanja nevtralnega helija", Physical Review 139(2A):363-378, julij 1965.
• Green, Louis C., Eleanor K. Kolchin, "Equi-density surfaces in synchronously rotating close binaries built on polytropic model ν=3", Astrophysics and Space Science, Issue 2, April 1973, pp.285-288.