ENIAC

Le principe de l'ENIAC vient d'une idée de John William Mauchly, professeur de physique et l'un des deux concepteurs de l'ENIAC. Participant à une conférence à l'Ursinus College, il observe des analystes produire des tables de tir, et se rend compte que ces calculs pourraient être réalisés électroniquement. Il s'associe avec J. Presper Eckert qui conçoit les circuits et résout les problèmes d'ingénierie, le principal étant la durée de vie des tubes électroniques. L'armée américaine, intéressée, finance le projet pour les besoins du laboratoire de recherche en balistique. L'ordinateur est financé le 17 mai 1943 sous le nom Project PX et construit à la Moore School of Electrical Engineering (en) de l'université de Pennsylvanie à partir du 31 mai 1943[2]. La machine entre en opération le 10 décembre 1945 et commence à travailler sur des calculs liés à la conception d'armes thermonucléaires[3] - [4].

Le 14 février 1946, l'ENIAC est dévoilé au public à l'université de Pennsylvanie à Philadelphie. En 1947, il transféré à l'Aberdeen Proving Ground, un laboratoire de l'US Army au Maryland, où il est remis en marche le 29 juillet et commence des calculs de tables de tirs. Il continue à fonctionner jusqu'à son arrêt le 2 octobre 1955[5]. Aujourd'hui, une partie de la machine est conservée à l'université de Pennsylvanie où un petit musée lui est consacré.

L'architecture de l'ENIAC, décidée et gelée en 1943, est novatrice par son parallélisme, sa vitesse et sa Turing-complétude, mais ne permet initialement pas d'enregistrer un programme en mémoire ; la programmation se fait donc par câblage. Toutefois les idées produites par ce travail et l'impact sur des personnes telles que John von Neumann, influenceront profondément le développement des ordinateurs suivants, notamment l'EDVAC, l'EDSAC, l'IAS et le SEAC (en)). Une conversion de la machine en architecture von Neumann, sous la direction de ce dernier, a lieu à partir de 1947 permettant, avec quelques limites, d'enregistrer et exécuter un programme en mémoire[6]. L'ENIAC fonctionnera par la suite dans cette configuration jusqu'à la fin de son exploitation.

Un total de 87 programmes[7] ont été écrits pour l'ENIAC entre 1945 et 1952 : 12 par fonctionnement câblés entre 1945 et 1947, puis 75 par programme enregistré. Les trois dernières années de fonctionnement ne sont pas documentées.

Après l'ENIAC, Eckert et Mauchly fonderont une société, l'Eckert-Mauchly Computer Corporation (en), où ils produiront en 1949 leur premier ordinateur : le BINAC. La firme sera rachetée l'année suivante par Remington Rand pour devenir Univac.

Détail d'un panneau de contrôle de l'ENIAC.

L'ENIAC, comme bon nombre d’ordinateurs de première et deuxième génération[8], est une machine décimale, c’est-à-dire utilisant la base 10.

Bien que la logique binaire fût envisagée par les concepteurs, l'utilisation de la logique décimale permet, pour les ordinateurs travaillant avec des cartes perforées (codées au format décimal), d’éviter la conversion des données en entrée et en sortie, donc d’accroître la vitesse de traitement et, pensait-on, nécessiter moins de tubes électroniques[8] - [9]. Il est intéressant de noter que la logique décimale fût de nouveau choisie par Ecker et Mauchly, les concepteurs de l’ENIAC, pour l’UNIVAC I (1951) après un essai peu fructueux avec la logique binaire du BINAC (1949).

L'ENIAC utilise des compteurs à anneaux à dix positions pour enregistrer les chiffres ; chaque chiffre nécessite à cet effet 36 tubes électroniques. L'arithmétique est réalisée en comptant les pulsations avec les anneaux et en générant des pulsations lorsque le compteur fait un tour. L'idée revient en fait à simuler par l'électronique les systèmes de roue à chiffres des machines électromécaniques.

Sa capacité est de vingt nombres à dix chiffres signés permettant chacun de réaliser 5 000 additions simples chaque seconde (pour un total de 100 000 additions par seconde). Il ne peut en revanche gérer en moyenne que 357 multiplications ou 38 divisions par seconde ou trois extractions de racine par seconde. Les entrées-sorties se font au moyen de cartes perforées, à la vitesse de 133 caractères par seconde[10].

L'ENIAC est remarquablement volumineux : il contient 17 468 tubes à vide, 7 200 diodes à cristal, 1 500 relais, 70 000 résistances, 10 000 condensateurs, 300 voyants lumineux pour l'affichage continu de l'état des registres, et environ 5 millions de soudures faites à la main[11]. Deux ventilateurs massifs de 20 cv chacun permettent l'extraction de la chaleur générée par l'ensemble[12]. Son poids est de 30 t pour des dimensions de 2,4 × 0,9 × 30,5 m occupant une surface de 167 m² (1 800 pieds carrés)[13]. Sa consommation est de 150 kW.

Il utilise des tubes à vide à 8 broches, les accumulateurs décimaux sont réalisés avec des bascules 6SN7, alors que les fonctions logiques utilisent des 6L7, 6SJ7, 6SA7 et 6AC7. De nombreux 6L6 et 6V6 servent de relais pour acheminer les pulsations entre les différents racks d'éléments.

Un technicien en train de changer un tube de l'ENIAC.

Certains experts en électronique prédirent que les tubes tomberaient en panne si fréquemment que la machine en serait inutilisable. La prédiction n'était que partiellement correcte, de nombreux tubes brûlaient chaque jour laissant l'ENIAC inopérant la moitié du temps. Des lampes plus fiables ne furent disponibles qu'à partir de 1948, Eckert et Mauchly durent donc utiliser des tubes de qualité standard. La plupart des problèmes liés aux tubes se produit au démarrage ou à l'arrêt de la machine car ils sont soumis à un important stress thermique. Le simple fait de ne jamais couper la machine, permet aux ingénieurs de réduire le nombre de pannes à un ou deux tubes par jour. La plus longue période de calcul sans panne est atteinte en 1954 avec 116 heures, ce qui est une prouesse compte tenu de la technologie de l'époque.

Une cause fréquente de panne était la combustion d'un insecte sur un tube chaud, provoquant un stress thermique local et la rupture de l'ampoule de verre. Le terme anglais désignant un insecte est bug. Ce terme, par extension, serait devenu synonyme de dysfonctionnement informatique[14] - [15].

Mur gauche

• Unité d’initialisation : Permet d'allumer et éteindre la machine, tester les unités, lancer un programme, et réinitialiser l'état des accumulateurs. Comme chaque unité, l'unité d'initialisation dispose également d'un contrôle de préchauffage des tubes électroniques lors de la séquence de démarrage.

• Unité de cycle : Contient l’horloge maître, cadencée à 100 kHz. Synchronise les modules entre eux et permet l'exécution pas-à-pas pour le débogage. Possède un oscilloscope de contrôle affichant les pulses en circulation dans la machine.

• Programmeur maître (deux panneaux) : Unité de haut niveau permettant de scinder le programme en fonctions, appeler ces fonctions, ainsi que programmer les boucles, les branchements conditionnels et les modifications de séquence dans le programme. Le programmeur maître permet le branchement de 10 actions différentes en fonction de la valeur d'un chiffre[18], de façon analogue à l'instruction « switch » des langages de programmation. Les fonctions, elles, sont implémentées sous forme de dix « steppers » autorisant chacun le lancement d'une séquence de six boucles, et permettant également la création de boucles imbriquées[18]. Cette possibilité de programmer des fonctions, des sauts conditionnels et des boucles imbriquées distingue l'ENIAC de ses prédécesseurs.

• Tables de fonction 1 (deux panneaux) : Larges mémoires mortes contenant les données numériques et les formules du programme. Leur utilisation est générique, elles peuvent également contenir des tables de correspondances, ou trigonométriques ou à tout autre usage pertinent pour le programme.

• Accumulateurs 1 et 2 : Les accumulateurs constituent tant la mémoire que la puissance de calcul de l'ENIAC. Chacun des vingt accumulateurs possède une mémoire de 10 chiffres décimaux, ainsi qu'un circuit d’addition-soustraction à cinq entrées (désignées par des lettres grecques) et deux sorties (A pour addition et S pour soustraction). Ils peuvent également être appairés pour travailler sur des nombres de 20 chiffres décimaux.

• Diviseur et extracteur de racine carrée. Le diviseur-extracteur réquisitionne et pilote les accumulateurs adjacents 2, 3, 5 et 7 pour son fonctionnement[19]. Ces accumulateurs servent au calcul et stockage du numérateur (dividende ou radicande), du dénominateur (diviseur ou racine), du quotient, et un dernier sert enfin de registre à décalage.

• Accumulateurs 3 à 9

À gauche : l'unité d’initialisation, l'unité de cycle, et les deux panneaux du programmeur maître. Au centre : H. Goldstein programmant une table de fonction mobile. À droite : deux tabulatrices IBM

Dans sa version de 1943, l’ENIAC est un ordinateur électronique complexe, rapide, et parallèle : un train de pulses circule de façon décentralisée dans des unités largement autonomes[25]. En particulier, chaque accumulateur est doté de son propre additionneur ainsi que d'une mémoire constituée de tubes électroniques, complexe et onéreuse mais beaucoup plus rapide que les lignes de délai fréquemment utilisées à l'époque.

En juin 1944, Herman Goldstine informe John von Neumann de l’existence de l'ENIAC au détour d’une conversation[26]. Von Neumann, alors à pied d’œuvre au sein du projet Manhattan, n’est que trop conscient des besoins d’un calculateur électronique.

Von Neumann rejoint l’équipe de l’ENIAC la même année, alors que la construction de la machine est déjà bien entamée[27]. En hiver 1944 et printemps 1945, il tient des réunions hebdomadaires avec Ecker et Mauchly (créateurs de l'ENIAC) sur la façon de créer un ordinateur à programme enregistré[28]. Ils ébauchent ensemble un concept de machine de Turing universelle dont les instructions sont codées numériquement, puis pouvant exécuter ces instructions pour lire et écrire programmatiquement des données. Leur concept prend rapidement le nom d'EDVAC - Electronic Discrete Variable Automatic Computer.

Le 30 juin 1945, von Neumman publie le « First Draft of a Report on the EDVAC (en) », définissant pour la première fois les caractéristiques de l’ordinateur moderne et de l’architecture éponyme. Si l’ENIAC n’y est pas mentionné pour des raisons de confidentialité militaire, la conception de l’EDVAC en prend résolument le contrepied : une implémentation logique minimaliste avec une UAL rudimentaire (en comparaison, l’ENIAC possède même un circuit de calcul de racine carrée), un seul accumulateur plutôt que vingt, une conception centralisée plutôt que parallélisée, ou encore la possibilité d’exécuter un programme sous forme d’instructions plutôt qu'en chaînant des fonctions logiques par câblage, et à cet effet, l’installation d’une large quantité de mémoire destinée tant aux instructions qu’aux données.

En 1947, il devient clair que l’EDVAC est encore loin de voir le jour – il ne sera terminé qu’en 1951 – et les besoins en calcul sont toujours aussi pressant. Au printemps de la même année, von Neumann réalise que les unités de l’ENIAC constituent un « kit » permettant de concevoir un ordinateur au sens contemporain du terme, c’est-à-dire à programme enregistré (exécutant des programmes sous forme d'instructions et non en câblant ensemble des modules).

Le nouvel ENIAC prendrait la forme d’une machine virtuelle à architecture von Neumann câblée de façon permanente au dessus de la machine existante. Le recâblage définitif formerait l'interpréteur microcodé de cette machine virtuelle[1] - [29].

Avec cette conversion, certains accumulateurs seraient reconvertis pour former l'UAL. D’autres serviraient de registres pour le compteur de programme, les registres d’adresse et d’instruction, ou encore l’accumulateur principal. D’autres accumulateurs seraient sérialisés et serviraient de mémoire principale. Enfin, les autres unités seraient recâblées en séquenceur permettant le « fetch » et le décodage des instructions. Au passage, l’ENIAC devenu ordinateur à programme enregistré perdrait son parallélisme et donc une partie de sa vitesse, ainsi qu'une faible quantité de mémoire désormais allouée aux registres internes du séquenceur.

Le projet est lancé en avril 1947. Von Neumann conçoit un premier jeu de 51 instructions remarquablement similaire au jeu d’instructions de l’EDVAC, et la conversion débute[22].

La conversion de l’ENIAC en ordinateur à programme enregistré va connaître plusieurs révisions, voyant le jeu d’instructions, à l'époque appelées « ordres », passer de 51 à 60, puis 79, et enfin 83 instructions. La machine étant recâblable, il est possible de librement mettre à jour le jeu d'instructions à la manière des microcodes contemporains. Certaines d'entre elles tirent parti des circuits arithmétiques sophistiqués de l'ENIAC et permettent le calcul de division, racines carrées ou encore de valeur absolue[30], ce qui permet un code plus dense et économe en mémoire vive.

La conversion se termine le 15 mars 1948 avec l'arrivée de l'unité de conversion (Converter Unit), permettant notamment le chargement de programmes depuis le lecteur de cartes perforées IBM[21].

Le 12 avril 1948, l'ENIAC exécute ses premières instructions, et le 17 avril, son premier programme[1] - [31]. Les problèmes de fiabilité initialement rencontrés à l'exécution du code sont résolus en réduisant la vitesse d’horloge de 100 kHz à 60 kHz[32], ce qui reste toutefois élevé pour l’époque. À titre de comparaison, la vitesse d'horloge des Colossus était de 5 kHz, et celle du Zuse 3 de 5 à 10 Hz.

Le 10 mai 1948, l'ENIAC exécute sans dysfonctionnement son premier programme de production : une simulation Monté Carlo de 840 instructions destinée à la fission nucléaire[31]. Un diagramme est aujourd'hui conservé et disponible en ligne comme témoin du premier programme enregistré connu[33], ainsi que son code source[34] - [35].

Le 21 juin 1948, le Manchester SSEM (Machine Expérimentale à Petite Échelle), un prototype de démonstration, exécute à son tour son premier programme : un test de dix-sept instructions permettant de trouver le plus grand diviseur d'un entier.

L’ENIAC fonctionnera les sept années suivantes de sa carrière comme ordinateur à programme enregistré, où il servira tant à des calculs de fission nucléaire que de prévisions météorologiques[36].

L'ENIAC dans sa configuration finale. L'armoire blanche sur la droite contient la mémoire vive à tores magnétique, et le câblage des unités est permanent.

Avant 1952, la qualification de l'ENIAC post-1948 en architecture de von Neumann a pu être sujette à caution, car les instructions des programmes et les données ne partagent pas un espace mémoire entièrement modifiable. Nicholas Metropolis, auteur de la simulation Monté Carlo, parlait ainsi de l'ENIAC comme « premier ordinateur à programme enregistré en lecture seule » (« the first computer to operate with a read-only stored program »)[37], par opposition aux ordinateurs suivants permettant d'exécuter du code automodifiable. En effet, dans l'ENIAC, la mémoire des programmes n’est modifiable que par intervention humaine, agissant donc comme une mémoire morte, ce qui empêche théoriquement l’exécution de code automodifiable. L’EDVAC, de conception minimaliste et dont l'ébauche servit de modèle à l'ENIAC recâblé, ne possédait pas d’instruction de branchement conditionnel : chaque programme devait modifier de lui-même l’adresse des branchements au fil de son exécution. Cette impossibilité apparente de l’ENIAC de faire fonctionner du code automodifiable contraindra von Neumann à revoir sa copie et implémenter les branchements conditionnels dans son jeu d'instruction, qui seront repris ensuite sur l’IAS.

Néanmoins, il a depuis été démontré, et vérifié par émulation, que l'ENIAC dans sa configuration de 1948 supportait déjà l'adressage indirect et donc la possibilité d'utiliser des sous-routines pour enregistrer et récupérer des données depuis des adresses mémoire modifiables, permettant de fait le code automodifiable[29]. Cette capacité était semblerait-il inconnue des concepteurs de l'époque ; Arthur Burks en particulier pensait l'ENIAC de 1948 d'une capacité technique inférieure à celle de l'EDVAC (une machine encore théorique), ce qui s'avérait faux.

En 1951 apparaît la mémoire à tores magnétiques, et l’ENIAC, avec le MIT Whirldwind, est en 1952 le premier ordinateur à en être doté[38] - [39]. Cette mémoire vive de 100 mots de dix chiffres BCD où peuvent être stockées de façon modifiable tant les instructions que les données du programme classe alors définitivement l'ENIAC comme ordinateur à architecture von Neumann.

Avec cette ultime évolution et pour les trois années restantes de sa carrière, rien ne distinguera conceptuellement l’ENIAC de l'EDVAC, et donc d'un ordinateur contemporain.

Arbre de parenté d'ordinateurs de première génération. On y distingue notamment l'ENIAC, l'EDVAC, l'UNIVAC, la machine IAS et la série IBM 700/7000. US Army, 1961

L’ENIAC se distingue de plusieurs façons des ordinateurs de son époque :

• les Colossus sont des machines binaires, électroniques, et programmables par câblage. Toutefois, contrairement à l'ENIAC, ils ne sont pas Turing-complets, et ne possèdent pas une architecture à programme enregistré, même en lecture seule, contrairement à l’ENIAC en configuration de 1948 ;

• le Zuse 3, le Harvard MARK I et l’IBM SSEC sont des machines à relais, donc électromécaniques plutôt qu'électroniques. Contrairement à l'ENIAC de 1945, ces machines sont programmables par instructions plutôt que par câblage. Toutefois, contrairement à l'ENIAC de 1948, aucune ne fonctionne par programme enregistré (exécuté depuis la mémoire de l'ordinateur). À la place, les programmes sont exécutés directement depuis des rubans perforés, conditionnant leur vitesse d'exécution à la vitesse de lecture des rubans. Le Zuse 3 et le MARK I ne disposent par ailleurs pas de possibilité de branchement conditionnel et ne sont pas reconnus Turing-complet. En 1997, un professeur universitaire allemand trouva un moyen détourné d'obtenir la Turing-complétude sur le Z3 en calculant de façon spéculative tous les résultats possibles pour une opération[28]. Néanmoins, cette méthode n'étant guère employable en usage réel, le Zuse 3 n'est considéré Turing-complet que de façon théorique ;

• les Manchester SSEM et l’EDSAC, apparus après l'ENIAC, sont des machines électroniques, binaires, à programme enregistré et architecture von Neumann, c’est-à-dire des ordinateurs au sens contemporain du terme. Une comparaison technique de ces deux machines avec l'ENIAC de 1948 est donc particulièrement pertinente.

D'un point de vue théorique, l'ENIAC de 1945 possède une puissance de calcul insolite pour son époque, permise par ses vingt unités de traitement parallèles, un très grand nombre de tubes électroniques, et une programmation par câblage qui épargne les temps de lecture et décodage d'instructions. Avec une capacité de 5000 additions par seconde parallélisées sur ses 20 accumulateurs, sa puissance de calcul brute atteindrait les 100 000 additions par seconde, comparable à celle d'un ordinateur transistorisé tel que le DEC PDP-1[43], pourtant sorti en 1959 et cadencé à une vitesse de 200 kHz.

Dans une présentation[44], l'Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (IRISA) estime à 50 kFLOPS (50 000 opérations en virgule flottante par seconde) la puissance de calcul théorique de l'ENIAC, bien que cette valeur, toute aussi insolite pour les années 1940, soit à prendre avec précaution puisque la machine utilise un système décimal sans virgule.

En pratique, l'architecture de l'ENIAC de 1945, trop focalisée sur la seule puissance de calcul à sa conception, est fortement handicapée par son absence de mémoire vive. Même s'il n'est pas nécessaire en configuration câblée d’enregistrer le programme en mémoire, cette absence conduit, sauf optimisations complexes, à devoir réserver un accumulateur pour le stockage d'une variable sans pour autant nécessiter sa capacité de calcul, et l'ENIAC de 1945 ne travaille donc typiquement qu'à une fraction de ses capacités. De plus, le parallélisme apporte un surcroît de puissance de calcul, déjà abondante sur l'ENIAC, tout en réduisant encore la mémoire très limitée disponible pour les autres files d'exécution. Ce parallélisme est également handicapé par le goulot d'étranglement causé par une unique file d'entrées-sorties, par la complexité inhérente au traitement parallèle[45], et par la difficulté de conception de programmes câblés. Finalement, un seul programme saura en tirer parti[16] durant la brève carrière de l'ENIAC de 1945, les autres utiliseront un fonctionnement séquentiel plus traditionnel.

Pour ces différentes raisons, une estimation plus réaliste des performances en usage réel de l'ENIAC de 1945 pourrait graviter plus probablement autour de 500 FLOPS[46] - [47], une valeur plus conforme aux ordinateurs de son époque.

L'ENIAC à programme enregistré de 1948, dépourvu d'architecture parallèle et devant lire et exécuter des instructions, est en théorie considérablement plus lent que celui de 1945 : environ 850 additions par seconde (1200 μs par addition) - une performance proche de celles de l'EDSAC et du Manchester Mark 1, mais ironiquement supérieure à la performance en usage réel estimée pour l'ENIAC de 1945. En effet, la configuration de 1948 est équilibrée : la machine utilise de-facto la capacité de l'ensemble de ses modules (qui constituent le processeur), dispose séparément d'une large mémoire centrale formée par la concaténation des tables de fonctions et des accumulateurs, et permet d'écrire facilement des programmes complexes. À cet effet, il n'a pas été démontré que les simulations nucléaires et météorologiques poussées fonctionnant sur l'ENIAC de 1948 auraient pu fonctionner par câblage sur l'ENIAC parallèle de 1945, ni le faire avec le même niveau de performance.

• 
  Quatre modules de l'ENIAC exposés à la Moore School of Engineering. De gauche à droite : table de fonction n^o 3, l'unité de cycle, l'accumulateur n^o 16 et le premier panneau du programmeur maître. À l'extrême gauche, tronquée : table de fonctions mobile étendant la table de fonction n^o 3.
• 
  Détails de panneaux d'accumulateurs exposés à Fort Sill, Oklhahoma
• 
  Vue détaillée d'un module d'accumulateur
• 
  Vue détaillée du panneau arrière d'un accumulateur, montrant les tubes électroniques
• 
  ENIAC-on-a-chip (ENIAC sur une puce), Université de Pennsylvanie, 1995, au Musée de l'Histoire de l'ordinateur