Small-Scale Experimental Machine

Vue d'artiste d'une machine de Turing

Le premier calculateur contrôlé par un programme fut la machine analytique construite par Charles Babbage en 1834. Un siècle plus tard, en 1936, le mathématicien Alan Turing publia sa description de ce qui est désormais connu sous le nom de machine de Turing, un concept théorique destiné à explorer les limites du calcul mécanique. Turing n'imaginait pas une machine physique mais une personne, qu'il appelait un « calculateur »[4], qui suivait les instructions fournies par une bande sur laquelle on pouvait lire et écrire des symboles séquentiellement au fur et à mesure qu'elle passait sous une tête de lecture/écriture. Turing prouva que s'il est possible d'écrire un algorithme pour résoudre un problème mathématique, alors une machine de Turing peut exécuter cet algorithme[4] .

Le Z3 de Konrad Zuse fut la première machine programmable fonctionnelle du monde. Entièrement automatique, à base de circuits binaires numériques, il n'avait cependant pas les branchements conditionnels d'une machine de Turing. En mai 1941, il fut présenté avec succès devant un public de scientifiques du Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (« Laboratoire allemand pour l'aviation ») à Berlin[5]. Le programme du Z3 était enregistré sur une bande externe, mais elle était électromécanique plutôt qu'électronique. Le Colossus, fabriqué en 1943, fut le premier instrument de calcul électronique, mais ne faisait que du décryptage et n'était donc pas une machine généraliste.

L'ENIAC fut, en 1946, la première machine électronique généraliste. Il était Turing-complet, avec des branchements conditionnels, et programmable pour résoudre une large gamme de problèmes. Cependant, son programme était enregistré dans l'état d'interrupteurs dans des câbles, et non en mémoire, en sorte qu'il pouvait falloir plusieurs jours pour le reprogrammer[2]. Des chercheurs tels que Turing et Konrad Zuse explorèrent l'idée d'utiliser la mémoire de l'ordinateur pour contenir le programme et les données sur lesquelles il travaillait[6], mais on considère généralement que c'est le mathématicien John von Neumann qui a défini cette architecture d'ordinateur, toujours utilisée dans presque tous les ordinateurs[7].

Principe de l'architecture de von Neumann

La construction d'un ordinateur de von Neumann dépendait de la disponibilité d'un support de mémoire sur lequel enregistrer le programme. Pendant la Seconde Guerre mondiale, des chercheurs travaillant sur le problème d'éliminer les échos parasites des signaux radar avaient développé une forme de mémoire à ligne de délai, dont la première application fut la ligne de délai au mercure[8] développée par John Presper Eckert. Les transmetteurs radar envoient des pulsations d'énergie radio brèves et régulières, dont les reflets sont affichés sur un écran à tube cathodique. Comme les opérateurs ne s'intéressent habituellement qu'aux cibles mouvantes, il était désirable d'éliminer les reflets d'objets stationnaires. Ce filtrage était réalisé en comparant chaque pulsation reçue avec la précédente et en rejetant les deux si elles étaient identiques, ce qui résultait en un signal qui ne contenait que les images d'objets en mouvement. Afin d'enregistrer chaque pulsation reçue pour une comparaison ultérieure, elle passait par une ligne de transmission, ce qui la retardait exactement du temps séparant deux pulsations transmises[9].

Turing arriva au laboratoire national de physique (NPL) de Teddington (Richmond upon Thames, grand Londres) en octobre 1945[10]. À ce moment, des scientifiques du ministère de l'équipement des armées avaient conclu que la Grande-Bretagne avait besoin d'un laboratoire national de mathématiques pour coordonner le calcul assisté par machine[11]. Une division de mathématiques fut mise en place au NPL, et le 19 février 1946, Alan Turing présenta un article décrivant sa conception d'un calculateur électronique à programme enregistré en mémoire connu sous le nom d'Automatic Computing Engine (ACE) (« moteur de calcul automatique »)[11]. Ce fut l'un des multiples projets lancés dans les années suivant la Seconde Guerre mondiale dans le but de construire un calculateur à programme enregistré en mémoire. Approximativement au même moment, l'EDVAC était en développement à l'école Moore d'ingénieurs électriciens de l'université de Pennsylvanie, et le laboratoire de mathématiques de l'université de Cambridge travaillait sur l'EDSAC[11] - [12].

Les responsables du projet au NPL n'avaient pas l'expertise nécessaire à construire une machine comme l'ACE, ils contactèrent donc Tommy Flowers au centre de recherches du bureau de Poste général. Flowers, qui avait conçu Colossus, le premier ordinateur électronique programmable au monde, avait d'autres engagements et ne put prendre part au projet. Cependant, son équipe construisit quelques lignes de délai pour l'ACE[11]. Ils demandèrent aussi de l'aide au Telecommunications Research Establishment (TRE) (« établissement de recherches en télécommunications ») et à Maurice Wilkes, du laboratoire de mathématiques de l'université de Cambridge[11].

Les responsables du NPL au gouvernement décidèrent que, comme tout le travail était effectué par le TRE en son nom, l'ACE devait recevoir la priorité maximale[11]. La décision du NPL conduisit à une visite du surintendant de la division de physique du TRE le 22 novembre 1946, en compagnie de Frederic Calland Williams et A. M. Uttley, lui aussi du TRE[11]. Williams dirigeait un groupe de développement du TRE qui travaillait sur les supports de mémoire CRT pour les appliquer aux radars, en lieu et place des lignes de délai[13]. Il avait déjà accepté un poste de professeur à l'université Victoria de Manchester, et la plupart de ses techniciens de circuits étaient en cours de transfert vers le département de l'énergie atomique[11]. Le TRE accepta d'aider un petit groupe de techniciens placé sous la direction de Williams à l'université et de soutenir un autre petit groupe travaillant avec Uttley au TRE[11].

Les premiers ordinateurs, comme le CSIRAC, exploitaient des lignes de délai au mercure[14]. Cependant, cette technologie avait des inconvénients : elle était lourde, coûteuse, et ne permettait pas l'accès aléatoire. De plus, comme les données étaient enregistrées comme une séquence d'ondes acoustiques propagées dans une colonne de mercure, il fallait contrôler très attentivement la température de la machine, car la vitesse du son dans un milieu varie avec sa température. Williams avait vu une expérience à Bell Labs qui montrait l'efficacité de tubes cathodiques (CRT) comme alternative aux lignes de délai pour enlever l'écho de terre des signaux radar. Alors qu'il travaillait au TRE, peu avant d'arriver à l'université de Manchester en décembre 1946, il avait développé une forme de mémoire électronique connue sous le nom de tube de Williams, basée sur un CRT standard, qui était le premier support d'enregistrement numérique à accès aléatoire[15]. La Small-Scale Experimental Machine fut conçue pour prouver la viabilité du tube de Williams comme support d'enregistrement, en vérifiant que les données qu'il contenait pouvaient être mises à jour continuellement avec la vitesse nécessaire pour permettre leur utilisation par un ordinateur[16] - [17].

Pour être utilisable dans un ordinateur numérique binaire, le tube devait pouvoir enregistrer l'un ou l'autre de deux états dans chacun de ses emplacements de mémoire, pour représenter les bits 0 et 1. Il exploitait la charge électrostatique générée en affichant soit un trait, soit un point à chaque position sur l'écran CRT. Ce phénomène est appelé émission secondaire. Un trait générait une charge positive et un point une charge négative. Une plaque de détection en face de l'écran recevait la charge, qui représentait 0 si elle était négative, 1 si elle était positive. La charge se dissipait en environ 0,2 seconde, mais elle pouvait être automatiquement rafraîchie à partir des données captées par le détecteur[18]. Au départ, le tube de Williams était basé sur le CV1131, un CRT du commerce de 30 cm de diamètre, mais un tube plus petit, de 15 cm de diamètre, le CV1097, fut utilisé dans la SSEM[19].

Le jeu d'instructions à 3 bits de la SSEM permettait un maximum de 8 (2³) instructions distinctes. Au contraire des conventions modernes, la mémoire de la machine était disposée avec les bits de poids faible à gauche ; le nombre 1 était donc représenté par « 100 », au lieu de « 001 », qui serait plus habituel[25].

La présence d'opposé dans certaines opérations était une conséquence du manque de matériel dans la SSEM pour effectuer toute autre opération que la soustraction et l'opposé. La construction d'un additionneur ne fut pas considérée comme nécessaire avant le début des essais, car l'addition peut facilement être réalisée par la soustraction[24]. Par exemple, x+y peut se calculer par −(−x−y). L'addition de deux nombres nécessitait donc quatre instructions[26]. Le code suivant réalise ce calcul.

LDN X // charge −X dans l'accumulateur
SUB Y // retranche Y de la valeur de l'accumulateur
STO S // enregistre le résultat dans S
LDN S // charge −S dans l'accumulateur

Les programmes étaient chargés sous forme binaire en parcourant tous les mots de la mémoire en séquence et en utilisant un ensemble de 32 interrupteurs, qui servaient de périphérique d'entrée, pour positionner la valeur de chaque bit de chaque mot à 0 ou 1. La SSEM n'avait pas de lecteur de carte ou ruban perforé[20].

L'écran de sortie

Trois programmes furent écrits pour l'ordinateur. Le premier, qui consistait en 17 instructions, fut écrit par Kilburn et fonctionna le 21 juin 1948[27]. Il était conçu pour trouver le plus grand facteur propre de 2¹⁸ (262 144) en essayant tous les entiers à partir de 2¹⁸−1 dans l'ordre décroissant. Les divisions étaient réalisées par des soustractions itérées du diviseur. La SSEM prit 3,5 millions d'opérations et 52 minutes pour trouver la solution (131 072). Le programme utilisait 8 mots de mémoire vive en plus de ses 17 mots d'instructions, ce qui donne une taille de programme de 25 mots[28].

Geoff Tootill écrivit une version modifiée du programme le mois suivant, et à la mi-juillet, Alan Turing, qui avait été nommé reader[note 1] au département de mathématiques de l'université de Manchester en septembre 1948, écrivit le troisième programme, qui effectuait la division longue. Turing avait, à cette époque, été nommé directeur assistant du laboratoire de machines à calculer de l'université[29], poste symbolique car le laboratoire ne devint une réalité physique qu'en 1951[30].

La démonstration de la viabilité de la machine conduisit rapidement à la construction d'un ordinateur plus utile en pratique, le Manchester Mark I, sur lequel le travail commença en août 1948. Cette machine fut la première de l'histoire à contenir des registres d'index, qui permettaient de modifier le comportement des instructions. Elle avait plus de mémoire, avec 64 mots de 40 bits auxquels s'ajoutait un tambour magnétique contenant 1 024 mots, et possédait un jeu d'instructions complet, avec notamment un multiplieur matériel. La première version fut opérationnelle en avril 1949[30] et, à son tour, mena directement au développement du Ferranti Mark I, le premier ordinateur généraliste commercialisé au monde[3].

En 1998, une réplique fonctionnelle de la SSEM, à présent exposée au musée des sciences et de l'industrie de Manchester, fut construite pour célébrer le 50^e anniversaire de l'exécution de son premier programme. Des démonstrations de la machine en marche ont régulièrement lieu au musée[32]. En 2008, une photographie panoramique originale de la machine entière fut découverte à l'université de Manchester. La photographie, prise le 15 décembre 1948 par un étudiant en stage de recherche, Alec Robinson, avait été reproduite dans l'Illustrated London News en juin 1949[33] - [34].

• (en) Louis Brown, A Radar History of World War II : Technical and Military Imperatives, CRC Press, 1999, 563 p. (ISBN 978-0-7503-0659-1)
• (en) Simon Lavington, Early British Computers : The Story of Vintage Computers and the People who built them, Swindon, Manchester University Press Society, 1980, 1^re éd. (ISBN 0-7190-0803-4)
• (en) Simon Lavington, A History of Manchester Computers, Swindon, The British Computer Society, 1998, 2^e éd. (ISBN 1-902505-01-8)
• (en) R. B. E. Napper, Raúl Rojas (dir.) et Ulf Hashagen (dir.), The First Computers: History and Architectures, MIT Press, 2000 (ISBN 0-262-68137-4, lire en ligne), p. 356–377
• (en) Alan Turing, On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem : Proceedings of the London Mathematical Society, London Mathematical Society, 1937 (DOI 10.1112/PLMS/S2-42.1.230, lire en ligne) et « [idem] : A Correction », Proc. London Math. Soc., 2^e série, vol. 43,‎ 1938, p. 544-546 (DOI 10.1112/plms/s2-43.6.544, lire en ligne)

• Liste des ordinateurs à tubes à vide
• Histoire de l'informatique
• Manchester Mark I
• Ferranti Mark I

• (en) David Anderson, « Was the Manchester Baby conceived at Bletchley Park? », British Computer Society,‎ 4 juin 2004 (lire en ligne [PDF])
• Computer 50 – Un site web qui célèbre le 50^e anniversaire de la SSEM en 1998
• Digital60 – Un site web qui célèbre le 60^e anniversaire de la SSEM en 2008
• Simulateur logiciel de SSEM
• BabyRace – Simulateur de SSEM pour téléphones portables qui permet de comparer les performances obtenues avec celles de la machine d'origine
• Nouveau simulateur logiciel de SSEM, plus réaliste
• Article de la BBC sur la SSEM