WATSON SCIENTIFIC COMPUTING LABORATORY

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

Ett centrum för vetenskaplig

forskning som använder beräkningsmaskiner

Fröken Eleanor Krawitz
Tabulerande handledare
Watson Scientific Computing Laboratory

Columbia Engineering Quarterly, november 1949

D URINGDe senaste åren har stora framsteg gjorts inom alla områden av vetenskaplig forskning, och en viktig faktor i detta framsteg har varit den omfattande användningen av automatiska beräkningsmetoder och utrustning. Idag görs beräkningar automatiskt i laboratorier över hela landet. Utvecklingen av dessa datorlaboratorier är av särskilt intresse för Columbia-studenter eftersom de tidigaste etablerades här vid universitetet. Columbia University Statistical Bureau inrättades i slutet av tjugotalet för att användas av lärare och statistiker. The Astronomical Bureau, skapad 1934, regisserad av Dr WJ Eckert, och drivs gemensamt av Columbia University, American Astronomical Society och International Business Machines Corporation, fungerade som en ideell organisation dit astronomer från hela världen kunde komma för att få sina beräkningar utförda. 1945 skapade IBM en avdelning för ren vetenskap, utsåg Dr. Eckert till dess chef och grundade Watson Scientific Computing Laboratory på universitetets campus.

Det primära syftet med Watson Laboratory är forskning inom de olika grenarna av vetenskapen, särskilt de som involverar tillämpad matematik och numerisk beräkning. Laboratoriets tjänster erbjuds kostnadsfritt till alla vetenskapsmän eller doktorander som är engagerade i forskning som ger ett betydande bidrag till framsteg inom vetenskapen och som använder beräkningsmaskiner för att uppnå detta syfte. Varje år delas två Watson Laboratory-stipendier i tillämpad matematik ut till studenter vars studier eller forskning involverar storskaliga beräkningar. Medlemmar av personalen erbjuder undervisningskurser inom sitt intresseområde under ledning av olika institutioner vid universitetet. Kurser för doktorander inkluderar drift och användning av maskinerna, och numeriska metoder; akademisk poäng för kurserna kan erhållas genom att anmäla sig till universitetet på vanligt sätt. Särskilda klasser i driften av maskinerna ges med jämna mellanrum till professionella personer, besökande forskare från hela världen och doktorander som arbetar för sina doktorsexamina. En ytterligare funktion hos Watson Laboratory är spridning av teknisk information om matematiska maskinmetoder och matematiska tabeller; ett omfattande bibliotek som täcker dessa ämnen finns tillgängligt. En ytterligare funktion hos Watson Laboratory är spridning av teknisk information om matematiska maskinmetoder och matematiska tabeller; ett omfattande bibliotek som täcker dessa ämnen finns tillgängligt. En ytterligare funktion hos Watson Laboratory är spridning av teknisk information om matematiska maskinmetoder och matematiska tabeller; ett omfattande bibliotek som täcker dessa ämnen finns tillgängligt.

Forskning har framgångsrikt genomförts inom många vetenskapsområden vid laboratoriet av personal och gästforskare. Följande är en ofullständig lista över slutförda eller pågående projekt:

• Astronomi: integration av banor av planeter och asteroider,
• Geofysik: spårning av vägar av ljudvågor under vatten för olika djup och riktningar,
• Optik: beräkningar som förkroppsligar metoden för strålspårning,
• Kemi: beräkning av kvantmekaniska resonansenergier för aromatiska föreningar,
• Engineering: byggande av fjäder- och kugghjulstabeller och beräkning av spänningsberäkningar förknippade med jordbävningsbelastningar,
• Ekonomi: uppskattningar av vissa koefficienter i ekvationerna för ekonomiska modeller, med hjälp av matrismultiplikation och inversion,
• Fysik: beräkningar av övergångssannolikheter för kalcium,
• Kristallografi: utvärdering av en Fourier-transform för strukturen av insulin.

Laboratoriet har ett brett utbud av både digitala och analoga maskiner; den digitala maskinen är en som i huvudsak räknas, medan den analoga maskinen gör fysiska mätningar. Dessa miniräknare är utformade för att lösa problem på det mest ändamålsenliga sättet och för att jämföra olika lösningsmetoder för att bestämma den mest effektiva.

De flesta av maskinerna läser och skriver med hjälp av hålkortet som ger ett sätt att hantera data automatiskt. Korten kan således bearbetas genom vilken serie av miniräknare som helst och få valfri sekvens av operationer utförda på dem. Den primära fördelen med hålkortstekniken är att ett stort antal liknande operationer kan utföras i kvantitet. Efter stansning av initiala värden på korten är maskinproceduren automatisk. Stansning kan ske i vilken som helst av åttio kolumner på kortet. Varje kolumn är uppdelad i tolv distinkta positioner som representerar heltal 0 till 9 samt två speciella stanspositioner som kallas X och Y. X-stämpeln används huvudsakligen för att beteckna en speciell operation eller ett negativt tal. Bokstäverna i alfabetet registreras med två slag i en kolumn,

Figur 1. Tabellkort som visar 12 stanspositioner och kombinationer av stansningar för att indikera bokstäver.

I alla maskiner är principen att läsa kortet densamma. Hålen stansas in i korten och avläses med hjälp av elektriska kontakter som görs genom hålen. Kortet, som fungerar som en isolator, passerar mellan en stålborste och en mässingsrulle (se fig. 2).

Ett hål i kortet gör att borsten och rullen kan komma i kontakt, vilket fullbordar en elektrisk krets; den elektriska impulsen görs tillgänglig på en pluggbar kontrollpanel, och tidpunkten för impulsen bestäms av placeringen av hålet i kortet. Alla maskinens funktioner styrs av riktningen för dessa impulser på kontrollpanelen, och som ett resultat av flexibiliteten hos denna panel kan ett stort antal operationer utföras. En stor andel av problemen som uppstår vid numerisk beräkning kan hanteras effektivt på IBMs standardmaskiner. Det första steget i tillvägagångssättet för dessa problem är att översätta originaldata till räknarens språk. Det vill säga att spela in det i form av stansade hål på standardkort. Detta är funktionen för Key Punch. Den önskade informationen transkriberas till kortet genom att trycka ner tangenterna på maskinen i linje med lämplig kolumn. Dessa kort kan matas in i Key Punch antingen manuellt eller automatiskt. När varje kolumn stansas, går kortet automatiskt vidare till nästa hålläge. De numeriska stämplarna har fjorton nycklar; en för var och en av de tolv stanspositionerna, en mellanslagstangent och en kortutmatningsknapp. De alfabetiska stansarna har dessutom ett skrivmaskintangentbord som automatiskt stansar två hål per kolumn. Efter att ha kodats av Key Punch, är korten sedan redo för passage genom någon av de andra maskinerna som krävs för att lösa problemet. När varje kolumn stansas, går kortet automatiskt vidare till nästa hålläge. De numeriska stämplarna har fjorton nycklar; en för var och en av de tolv stanspositionerna, en mellanslagstangent och en kortutmatningsknapp. De alfabetiska stansarna har dessutom ett skrivmaskintangentbord som automatiskt stansar två hål per kolumn. Efter att ha kodats av Key Punch, är korten sedan redo för passage genom någon av de andra maskinerna som krävs för att lösa problemet. När varje kolumn stansas, går kortet automatiskt vidare till nästa hålläge. De numeriska stämplarna har fjorton nycklar; en för var och en av de tolv stanspositionerna, en mellanslagstangent och en kortutmatningsknapp. De alfabetiska stansarna har dessutom ett skrivmaskintangentbord som automatiskt stansar två hål per kolumn. Efter att ha kodats av Key Punch, är korten sedan redo för passage genom någon av de andra maskinerna som krävs för att lösa problemet.

Sorteraren används för att ordna hålkort i valfri numerisk eller alfabetisk ordning beroende på informationen på dem. Korten som ska sorteras matas från en behållare till en enda borste, som läser den valda kolumnen och sorterar varje kort i rätt av de tretton tillgängliga fickorna. Det finns en ficka för var och en av de tolv stanspositionerna och en för tomma kolumner. Genom successiva sorteringar ordnas korten i vilken ordning som helst. Maskinen, som arbetar med en hastighet av 450 kort per minut, är utrustad med en räknare för att registrera antalet kort som passerar.

Den alfabetiska tolken är utformad för att översätta den numeriska eller alfabetiska informationen på kortet till tryckta figurer på någon av två rader överst på kortet. Således är hålkortet lättare att läsa och kan användas som filkort såväl som i maskinerna.

Bokföringsmaskinen är en höghastighetsmaskin för att lägga till och skriva ut. Den läser data från ett kort, lägger till och subtraherar dem till räknare och skriver ut information från korten eller summor från räknarna på ett pappersark. Maskinen listar alfabetisk eller numerisk data med en hastighet av åttio kort per minut, eller ackumulerar så många som åttio siffror totalt med 150 kort per minut.

Reproducering Punch transkriberar all eller någon del av data som stansats på en uppsättning kort till en annan uppsättning, eller kopierar data från ett masterkort till en grupp av detaljkort. Stämpeln har en jämförande enhet som jämför de två uppsättningarna av data och indikerar eventuell oenighet mellan de två. Maskinen kan anpassas för användning som en sammanfattningsstämpel för att på ett nytt kort registrera belopp som har ackumulerats i bokföringsmaskinen.

Sorteraren utför några av sorterarens funktioner på ett mer effektivt sätt. Den arkiverar två uppsättningar kort tillsammans, väljer särskilda kort i någon av fyra urvalsfickor, matchar två uppsättningar kort enligt ett kontrollnummer och kontrollerar sekvensen av en uppsättning kort. Maskinen är mycket flexibel och tillåter hantering av kort enligt ett komplicerat mönster som involverar jämförelse av två kontrollnummer. Kort kan passera genom Collator med en hastighet av 240 till 480 per minut.

Electronic Calculating Punch är en höghastighetsmaskin som använder elektroniska kretsar för att utföra alla grundläggande operationer. Den adderar, subtraherar, multiplicerar och delar siffrorna som matas in på ett kort, och stansar svaren på samma kort eller ett efterföljande. Den utför dessa operationer upprepade gånger och i valfri ordning på en bråkdel av en sekund. Beräkningsstämpeln läser av hålslagna faktorer på ett kort och utför additioner, subtraktioner, multiplikationer och divisioner, i vilken ordning som helst. Separata resultat kan stansas för varje typ av beräkning, eller så kan resultaten lagras och användas som en faktor för följande beräkningar. Denna maskin har beräknat åttonde ordningens skillnader av en elvasiffrig funktion och många komplicerade ekvationer som involverar ett stort antal operationer.

Utöver de ovan beskrivna standardmaskinerna finns på laboratoriet ett antal specialdesignade miniräknare som fungerar med hjälp av relänät och elektroniska kretsar. Nedan följer en kort beskrivning av dessa specialmaskiner.

Reläkalkylatorn utför alla grundläggande aritmetiska operationer, inklusive bestämning av kvadratrötter genom ett komplicerat relänätverk. Den extrema flexibiliteten hos denna miniräknare beror på dess stora internminne, dess snabbhet att utföra beräkningar, dess förmåga att samtidigt läsa fyra kort och slå ett femte, och dess förmåga att arbeta under ett omfattande och varierat program. Maskinen är försedd med en sorteringskrets för att underlätta tabelluppslag. Många komplicerade problem har lösts på en reläräknare inklusive multiplikation av övertonsserier, multiplikation av matriser och sjätte ordningens differentialekvationer.

Den kortstyrda sekvenskalkylatorn består av en bokföringsmaskin som läser, adderar, subtraherar och lagrar data, en sammanfattningsstämpel som stansar de slutliga värdena, en relälåda för att ge flexibilitet vid kontroll av operationerna och en enhet som utför multiplikationer och divisioner. De andra räknarnas funktioner är vanligtvis programmerade genom kablarna på kontrollpanelen, medan denna maskin har i huvudsak en grundläggande kontrollpanelinställning och styrs av kodade hål i kortet. Denna kalkylator har visat sig vara särskilt skicklig på att beräkna banor för asteroider.

Den linjära ekvationslösaren är en elektrisk anordning för lösning av samtidiga linjära ekvationer upp till och inklusive tolfte ordningen. Efter att koefficienter för ekvationerna har satts upp på rattar, switchar eller hålkort, justeras de olika variablerna tills en lösning erhålls. Lösningsmetoden är en som ger mycket snabb konvergens. Denna maskin byggdes i laboratoriet av Robert M Walker, en medlem av vår personal, och professor Francis J. Murray från universitetets matematiska avdelning.

Den kortstyrda mät- och inspelningsmaskinen är främst designad för mätning av astronomiska fotografier, även om den lätt kan appliceras på fotografier inom alla områden. En fotografisk platta av en del av himlen som inkluderar stjärnan i fråga införs i maskinen tillsammans med ett hålkort som anger stjärnans ungefärliga koordinater. Maskinen läser sedan automatiskt av hålkortet, lokaliserar stjärnan på den fotografiska plattan från dessa ungefärliga koordinater, mäter dess position exakt och registrerar denna mätning på ett kort. Hålkortsposten är då tillgänglig för matematisk behandling.

Sedan starten av Astronomical Bureau 1934 har flera andra hålkortslaboratorier etablerats inom industrin och regeringen. De laboratorier som var i drift under krigsåren spelade en avgörande roll i vårt nationella försvarsprogram. I denna grupp fanns Ballistic Research Laboratories i Aberdeen, Maryland och Dahlgren, Virginia. I samma kategori fanns US Naval Observatory som utarbetade astronomiska tabeller för användning i flyg- och sjönavigering, astronomi och lantmäteri. Inom industrin har datorlaboratorier intagit en framträdande roll i både ren och tillämpad vetenskaplig forskning. Hålkortstekniker har till exempel använts för att lösa problem som rör spännings- och töjningsanalys av flygplanskonstruktioner och vibrationsanalys av stora maskiner.

En illustration av tillämpningen av hålkortsutrustning i industriproblem uppstår vid design och konstruktion av fartyg, där det är nödvändigt att specificera de exakta platserna för ett stort antal punkter på ytan. Konstruktören kan åstadkomma detta genom att betrakta olika tvärsnitt genom skrovet och representera konturerna av var och en av dessa sektioner med ett polynom av t.ex. femte graden (se fig. 3).

Värdena på konstanterna, a 0 , …, a 5 , i ekvationen kommer att variera med varje snitt som tas, på grund av ytans krökning i längdriktningen. Därför, om fartyget är uppdelat i 200 tvärsnitt, och det är nödvändigt att bestämma 100 punkter på varje sida av skrovet för varje tvärsnitt, skulle polynomet behöva utvärderas 20 000 gånger. Användningen av hålkortsutrustning för att lösa detta problem översätter ett extremt besvärligt jobb till ett som automatiskt beräknas av maskin efter att den ursprungliga planeringen är klar.

Fröken Eleanor Krawitz, som har utmärkelsen att vara den första feminina författaren att bidra till COLUMBIA ENGINEERING QUARTERLY, kan skryta med en hel del andra anmärkningsvärda prestationer. Hon tog examen 1943 från Samuel I. Tilden High School i Brooklyn, där hon hade varit medlem i det skolastiska hederssällskapet "Arista". Vid Brooklyn College var hon kassör för Pi Mu Epsilon, honorary Mathematics Society, tills hon fick sin kandidatexamen i matematik 1947. Hon arbetade sedan som lärarvikarie på Midwood High School och i Alma Mater, Tilden High, men satte snart åt sidan gymnasielärarkarriär för att ta sin MA i matematik vid Columbia.

Idag är Miss Krawitz tabellansvarig vid IBM Thomas J. Watson Computing Laboratory vid Columbia University. Hon instruerar inte bara astronomiklasser på forskarskolan om hur datorerna fungerar, utan hon är också engagerad i att sätta upp procedurer för beräkning av problem inom fysik, matematik och astronomi.

Eleanor Krawitz Kolchin gick bort fredagen den 25 januari 2019, 92 år gammal i Boca Raton, Florida. Hon var förtjust över den uppmärksamhet hon fick sent i livet på grund av publiceringen av denna artikel på Internet 2003 och översättningen av den till så många språk. Hennes sista ord till mig (i oktober 2018) var "Nästan allt fungerar inte här. Oooooo".

Bidraget av: Eleanor Krawitz Kolchin, november 2003.
Skannat och konverterat till HTML: Sat Nov 22 17:06:54 2003
Konverterat till HTML5: Sat Feb 23 08:52:56 2019

Även av författaren:

• Krawitz, Eleanor, "Punched Card Mathematical Tables on Standard IBM Equipment", Proceedings, Industrial Computation Seminar , IBM, New York (sep 1950), s.52-56.
• Krawitz, Eleanor, "Matrix by Vector Multiplication on the IBM Type 602-A Calculating Punch", Proceedings, Industrial Computation Seminar , IBM, New York (sep 1950), s.66-70.
• Green, Louis C., Nancy E. Weber och Eleanor Krawitz, "Användningen av beräknade och observerade energier i beräkningen av oscillatorstyrkor och f -summaregeln" Astrophysical Journal , Vol.113 No.3 (maj 1951), s. 690-696.
• Green, Louis C., Marjorie M. Mulder, Paul C. Milner, Margaret N. Lewis, John W. Woll, Jr., Eleanor K. Kolchin och David Mace, "Analysis of the Three Parameter Wave Function of Hylleraas for He i Ground State i termer av centrala fältvågsfunktioner", 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 och Robert J. Wisner, "Effect on the Energy of Increased Flexibility in the Separable Factor of Hylleraas -Typ Atomic Wave Functions från H− till O VII", Physical Review 112, 1187, 15 november 1958.
• Green, Louis C.; Matsushima, Satoshi; Kolchin, Eleanor K., "Tables of the Continuum Wave Functions for Hydrogen", Astrophysical Journal Supplement, vol. 3, november 1958, s. 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, "Wave Functions for the Excited States of Neutral Helium", Physical Review 139(2A):363-378, juli 1965.
• Green, Louis C., Eleanor K. Kolchin, "Equi-density surfaces in synchronously rotating close binarys built on polytropic model ν=3", Astrophysics and Space Science, Issue 2, April 1973, pp.285-288.