DAS WATSON SCIENTIFIC COMPUTING LABORATORY

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

Ein Zentrum für wissenschaftliche

Forschung mit Rechenmaschinen

Miss Eleanor Krawitz
Tabellierungsleiterin
Watson Scientific Computing Laboratory

Columbia Engineering Quarterly, November 1949

In den letzten Jahren wurden in allen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung große Fortschritte erzielt, und ein wesentlicher Faktor für diesen Fortschritt war der umfassende Einsatz automatischer Rechenmethoden und -geräte. Heute werden Berechnungen automatisch in Laboren im ganzen Land durchgeführt. Die Entwicklung dieser Computerlabore ist für Columbia-Studenten von besonderem Interesse, da die ersten hier an der Universität eingerichtet wurden. Das Statistikbüro der Columbia University wurde Ende der zwanziger Jahre für Pädagogen und Statistiker gegründet. Das Astronomical Bureau wurde 1934 unter der Leitung von Dr. WJ Eckert gegründet und gemeinsam von der Columbia University, der American Astronomical Society und der International Business Machines Corporation betrieben. fungierte als gemeinnützige Organisation, zu der Astronomen aus der ganzen Welt kommen konnten, um ihre Berechnungen durchführen zu lassen. 1945 gründete IBM eine Abteilung für reine Wissenschaft, ernannte Dr. Eckert zu ihrem Direktor und gründete das Watson Scientific Computing Laboratory auf dem Universitätscampus.

Der Hauptzweck des Watson-Labors ist die Forschung in den verschiedenen Wissenschaftszweigen, insbesondere in den Bereichen angewandte Mathematik und numerische Berechnung. Die Dienstleistungen des Labors werden unentgeltlich jedem Wissenschaftler oder Doktoranden angeboten, der an einer Forschung beteiligt ist, die einen wesentlichen Beitrag zum Fortschritt in den Wissenschaftsbereichen leistet und zu diesem Zweck Rechenmaschinen einsetzt. Jedes Jahr werden zwei Watson Laboratory-Stipendien für angewandte Mathematik an Studierende vergeben, deren Studium oder Forschung umfangreiche Berechnungen umfasst. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter bieten Lehrveranstaltungen in ihrem Interessengebiet unter der Schirmherrschaft verschiedener Fachbereiche der Universität an. Zu den Kursen für Doktoranden gehören die Bedienung und Nutzung der Maschinen, und numerische Methoden; Studienleistungen für die Kurse können durch die übliche Anmeldung an der Universität erworben werden. In regelmäßigen Abständen werden spezielle Kurse zur Bedienung der Maschinen für Fachkräfte, Gastwissenschaftler aus der ganzen Welt und Doktoranden abgehalten. Eine weitere Funktion des Watson Laboratory ist die Verbreitung technischer Informationen zu mathematischen Maschinenmethoden und mathematischen Tabellen; Es steht eine umfassende Bibliothek zu diesen Themen zur Verfügung. Eine weitere Funktion des Watson Laboratory ist die Verbreitung technischer Informationen zu mathematischen Maschinenmethoden und mathematischen Tabellen; Es steht eine umfassende Bibliothek zu diesen Themen zur Verfügung. Eine weitere Funktion des Watson Laboratory ist die Verbreitung technischer Informationen zu mathematischen Maschinenmethoden und mathematischen Tabellen; Es steht eine umfassende Bibliothek zu diesen Themen zur Verfügung.

Die Forschung des Labors wurde in vielen Wissenschaftsbereichen durch Mitarbeiter und Gastwissenschaftler erfolgreich abgeschlossen. Im Folgenden finden Sie eine unvollständige Liste der abgeschlossenen oder laufenden Projekte:

• Astronomie: Integration der Umlaufbahnen von Planeten und Asteroiden,
• Geophysik: Verfolgung der Wege von Schallwellen unter Wasser für verschiedene Tiefen und Richtungen,
• Optik: Berechnungen mit der Methode des Raytracing,
• Chemie: Berechnung quantenmechanischer Resonanzenergien aromatischer Verbindungen,
• Ingenieurwesen: Erstellung von Feder- und Getriebetabellen und Berechnung von Spannungsberechnungen im Zusammenhang mit Erdbebenlasten,
• Wirtschaftswissenschaften: Schätzungen bestimmter Koeffizienten in den Gleichungen von Wirtschaftsmodellen unter Verwendung von Matrixmultiplikation und -inversion,
• Physik: Berechnungen von Kalzium-Übergangswahrscheinlichkeiten,
• Kristallographie: Auswertung einer Fourier-Transformation für die Struktur von Insulin.

Das Labor verfügt über eine große Auswahl an digitalen und analogen Maschinen. Die digitale Maschine zählt im Wesentlichen, während die analoge Maschine physikalische Messungen durchführt. Diese Rechner sind darauf ausgelegt, Probleme auf die zweckmäßigste Art und Weise zu lösen und verschiedene Lösungsmethoden zu vergleichen, um die effizienteste zu ermitteln.

Die meisten Maschinen lesen und schreiben mithilfe der Lochkarte, die eine Möglichkeit zur automatischen Datenverarbeitung bietet. Die Karten können somit über eine beliebige Reihe von Rechnern verarbeitet werden und jede gewünschte Abfolge von Operationen kann auf ihnen durchgeführt werden. Der Hauptvorteil der Lochkartentechnik besteht darin, dass eine große Anzahl gleichartiger Vorgänge in großen Mengen durchgeführt werden kann. Nach dem Einstanzen der Anfangswerte auf die Karten erfolgt der maschinelle Ablauf automatisch. Das Lochen kann in einer von achtzig Spalten der Karte erfolgen. Jede Spalte ist in zwölf verschiedene Positionen unterteilt, die die ganzen Zahlen 0 bis 9 sowie zwei spezielle Stanzpositionen darstellen, die als X und Y bezeichnet werden. Die X-Stanze wird hauptsächlich verwendet, um eine spezielle Operation oder eine negative Zahl zu kennzeichnen. Buchstaben des Alphabets werden durch zwei Stempel in einer Spalte erfasst,

Abbildung 1. Tabellierungskarte mit 12 Lochpositionen und Lochkombinationen zur Angabe von Buchstaben.

Bei allen Automaten ist das Prinzip des Kartenlesens gleich. Die Löcher werden in die Karten gestanzt und mittels elektrischer Kontakte, die durch die Löcher hergestellt werden, gelesen. Die als Isolator dienende Karte wird zwischen einer Drahtbürste und einer Messingwalze hindurchgeführt (siehe Abb. 2).

Ein in die Karte gestanztes Loch ermöglicht den Kontakt zwischen Bürste und Walze und schließt so einen Stromkreis. Der elektrische Impuls wird auf einem steckbaren Bedienfeld zur Verfügung gestellt und der Zeitpunkt des Impulses wird durch die Position des Lochs in der Karte bestimmt. Alle Funktionen der Maschine werden durch die Richtung dieser Impulse auf dem Bedienfeld gesteuert, und aufgrund der Flexibilität dieses Bedienfelds können zahlreiche Vorgänge ausgeführt werden. Ein großer Prozentsatz der bei der numerischen Berechnung auftretenden Probleme kann auf den Standard-IBM-Maschinen effizient gelöst werden. Der erste Schritt bei der Lösung dieser Probleme besteht darin, die Originaldaten in die Sprache der Rechner zu übersetzen. Das heißt, es in Form von Lochungen auf Standardkarten festzuhalten. Dies ist die Funktion des Key Punch. Die gewünschten Informationen werden auf die Karte übertragen, indem die Tasten am Gerät entsprechend der entsprechenden Spalte gedrückt werden. Diese Karten können entweder manuell oder automatisch in den Key Punch eingeführt werden. Wenn jede Spalte gelocht wird, geht die Karte automatisch zur nächsten Lochung weiter. Die Zahlenstanzer verfügen über vierzehn Tasten; eine für jede der zwölf Stanzpositionen, eine Leertaste und eine Kartenauswurftaste. Die Buchstabenstanzer verfügen zusätzlich über eine Schreibmaschinentastatur, die automatisch zwei Löcher pro Spalte stanzt. Nach der Codierung durch den Key Punch sind die Karten dann bereit für den Durchgang durch alle anderen Maschinen, die zur Lösung des Problems erforderlich sind. Wenn jede Spalte gelocht wird, geht die Karte automatisch zur nächsten Lochung weiter. Die Zahlenstanzer verfügen über vierzehn Tasten; eine für jede der zwölf Stanzpositionen, eine Leertaste und eine Kartenauswurftaste. Die Buchstabenstanzer verfügen zusätzlich über eine Schreibmaschinentastatur, die automatisch zwei Löcher pro Spalte stanzt. Nach der Codierung durch den Key Punch sind die Karten dann bereit für den Durchgang durch alle anderen Maschinen, die zur Lösung des Problems erforderlich sind. Wenn jede Spalte gelocht wird, geht die Karte automatisch zur nächsten Lochung weiter. Die Zahlenstanzer verfügen über vierzehn Tasten; eine für jede der zwölf Stanzpositionen, eine Leertaste und eine Kartenauswurftaste. Die Buchstabenstanzer verfügen zusätzlich über eine Schreibmaschinentastatur, die automatisch zwei Löcher pro Spalte stanzt. Nach der Codierung durch den Key Punch sind die Karten dann bereit für den Durchgang durch alle anderen Maschinen, die zur Lösung des Problems erforderlich sind.

Der Sortierer dient dazu, Lochkarten je nach den darauf befindlichen Informationen in beliebiger numerischer oder alphabetischer Reihenfolge anzuordnen. Die zu sortierenden Karten werden von einem Vorratsbehälter einer einzelnen Bürste zugeführt, die die ausgewählte Spalte liest und jede Karte in das richtige der dreizehn verfügbaren Fächer sortiert. Für jede der zwölf Stanzpositionen gibt es eine Tasche und eine für Leerspalten. Durch aufeinanderfolgende Sortierungen werden die Karten in beliebiger Reihenfolge angeordnet. Der Automat, der mit einer Geschwindigkeit von 450 Karten pro Minute arbeitet, ist mit einem Zähler ausgestattet, der die Anzahl der durchlaufenden Karten erfasst.

Der Alphabetic Interpreter übersetzt die numerischen oder alphabetischen Informationen auf der Karte in gedruckte Zahlen auf einer der beiden Zeilen oben auf der Karte. Dadurch ist die Lochkarte besser lesbar und kann sowohl als Karteikarte als auch in den Automaten verwendet werden.

Die Accounting Machine ist eine Hochgeschwindigkeits-Addier- und Druckmaschine. Es liest Daten von einer Karte, addiert und subtrahiert sie zu Zählern und druckt Informationen von den Karten oder Summen von den Zählern auf ein Blatt Papier. Die Maschine listet alphabetische oder numerische Daten mit einer Geschwindigkeit von achtzig Karten pro Minute auf oder sammelt bis zu achtzig Ziffern von Gesamtsummen mit einer Geschwindigkeit von 150 Karten pro Minute.

Der Reproduktionsstanzer überträgt alle oder einen Teil der auf einem Kartensatz gestanzten Daten auf einen anderen Satz oder kopiert Daten von einer Hauptkarte auf eine Gruppe von Detailkarten. Der Stempel verfügt über eine Vergleichseinheit, die die beiden Datensätze vergleicht und etwaige Unstimmigkeiten zwischen den beiden anzeigt. Die Maschine kann für die Verwendung als Sammelstanze angepasst werden, um Beträge, die in der Abrechnungsmaschine angesammelt wurden, auf einer neuen Karte aufzuzeichnen.

Der Collator führt einige der Funktionen des Sortierers effizienter aus. Es legt zwei Kartensätze zusammen, wählt bestimmte Karten in einem von vier Auswahlfächern aus, ordnet zwei Kartensätze anhand einer Kontrollnummer zu und prüft die Reihenfolge eines Kartensatzes. Die Maschine ist sehr flexibel und ermöglicht die Handhabung von Karten nach einem komplizierten Muster, das den Vergleich zweier Kontrollzahlen beinhaltet. Die Karten können den Collator mit einer Geschwindigkeit von 240 bis 480 pro Minute passieren.

Der elektronische Rechenstanzer ist eine Hochgeschwindigkeitsmaschine, die elektronische Schaltkreise zur Durchführung aller Grundoperationen nutzt. Es addiert, subtrahiert, multipliziert und dividiert die auf einer Karte eingegebenen Zahlen und locht die Antworten auf derselben oder einer nachfolgenden Karte ein. Es führt diese Vorgänge wiederholt und in beliebiger Reihenfolge im Bruchteil einer Sekunde aus. Der Rechenstanzer liest die auf einer Karte gestanzten Faktoren und führt Additionen, Subtraktionen, Multiplikationen und Divisionen in jeder gewünschten Reihenfolge durch. Für jeden Berechnungstyp können separate Ergebnisse eingegeben oder die Ergebnisse gespeichert und als Faktor für nachfolgende Berechnungen verwendet werden. Diese Maschine hat Differenzen achter Ordnung einer elfstelligen Funktion und viele komplizierte Gleichungen berechnet, die eine große Anzahl von Operationen erfordern.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Standardmaschinen gibt es im Labor eine Reihe speziell entwickelter Rechner, die mit Relaisnetzwerken und elektronischen Schaltkreisen arbeiten. Nachfolgend finden Sie eine kurze Beschreibung dieser Spezialmaschinen.

Der Relaisrechner führt alle grundlegenden arithmetischen Operationen aus, einschließlich der Bestimmung von Quadratwurzeln über ein kompliziertes Relaisnetzwerk. Die extreme Flexibilität dieses Rechners beruht auf seinem großen internen Speicher, seiner Geschwindigkeit bei der Durchführung von Berechnungen, seiner Fähigkeit, gleichzeitig vier Karten zu lesen und eine fünfte zu stanzen, und seiner Fähigkeit, mit einem umfangreichen und vielfältigen Programm zu arbeiten. Die Maschine ist mit einer Sortierschaltung ausgestattet, um die Tabellensuche zu erleichtern. Viele komplizierte Probleme wurden mit einem Relaisrechner gelöst, darunter die Multiplikation harmonischer Reihen, die Multiplikation von Matrizen und Differentialgleichungen sechster Ordnung.

Der kartenbetriebene Sequenzrechner besteht aus einer Abrechnungsmaschine, die die Daten liest, addiert, subtrahiert und speichert, einem Summenstanzer, der die Endwerte stanzt, einer Relaisbox, um eine flexible Steuerung der Vorgänge zu ermöglichen, und einer Einheit, die diese ausführt Multiplikationen und Divisionen. Die Operationen der anderen Taschenrechner werden normalerweise über die Verkabelung des Bedienfelds programmiert, während dieses Gerät im Wesentlichen über ein grundlegendes Bedienfeld verfügt und durch codierte Stempel in der Karte gesteuert wird. Dieser Rechner hat sich als besonders geeignet für die Berechnung der Umlaufbahnen von Asteroiden erwiesen.

Der Linear Equation Solver ist ein elektrisches Gerät zur Lösung simultaner linearer Gleichungen bis einschließlich zwölfter Ordnung. Nachdem die Koeffizienten der Gleichungen auf Zifferblättern, Schaltern oder Lochkarten eingestellt wurden, werden die verschiedenen Variablen angepasst, bis eine Lösung vorliegt. Die Lösungsmethode ermöglicht eine sehr schnelle Konvergenz. Diese Maschine wurde im Labor von Herrn Robert M. Walker, einem unserer Mitarbeiter, und Professor Francis J. Murray von der Mathematikabteilung der Universität gebaut.

Das kartengesteuerte Mess- und Aufzeichnungsgerät ist in erster Linie für die Vermessung astronomischer Fotografien konzipiert, lässt sich aber problemlos auf Fotografien in jedem beliebigen Bereich anwenden. Eine Fotoplatte eines Teils des Himmels, der den betreffenden Stern enthält, wird zusammen mit einer Lochkarte, auf der die ungefähren Koordinaten des Sterns angegeben sind, in die Maschine eingeführt. Das Gerät liest dann automatisch die Lochkarte, lokalisiert anhand dieser ungefähren Koordinaten den Stern auf der Fotoplatte, misst seine Position genau und zeichnet diese Messung auf einer Karte auf. Der Lochkartendatensatz steht dann für die rechnerische Bearbeitung zur Verfügung.

Seit der Gründung des Astronomischen Büros im Jahr 1934 wurden in Industrie und Regierung zahlreiche weitere Lochkartenlabore eingerichtet. Die während der Kriegsjahre in Betrieb befindlichen Laboratorien spielten eine entscheidende Rolle in unserem nationalen Verteidigungsprogramm. Zu dieser Gruppe gehörten die Ballistic Research Laboratories in Aberdeen, Maryland und Dahlgren, Virginia. In dieselbe Kategorie fiel das US Naval Observatory, das astronomische Tabellen für den Einsatz in der Luft- und Seenavigation, Astronomie und Vermessung erstellte. In der Industrie haben Computerlabore sowohl in der reinen als auch in der angewandten wissenschaftlichen Forschung eine herausragende Rolle übernommen. Lochkartentechniken wurden beispielsweise bei der Lösung von Problemen im Zusammenhang mit der Spannungs- und Dehnungsanalyse von Flugzeugstrukturen und der Schwingungsanalyse großer Maschinen eingesetzt.

Ein Beispiel für die Anwendung von Lochkartengeräten bei Problemen in der Industrie ergibt sich aus der Konstruktion und dem Bau von Schiffen, bei denen es notwendig ist, die genauen Positionen einer großen Anzahl von Punkten auf der Oberfläche festzulegen. Der Konstrukteur kann dies erreichen, indem er verschiedene Querschnitte durch den Rumpf betrachtet und den Umriss jedes dieser Abschnitte durch ein Polynom beispielsweise fünften Grades darstellt (siehe Abb. 3).

Abbildung 3. Querschnitt durch das Gefäß

Die Werte der Konstanten a 0 , …, a 5 in der Gleichung variieren aufgrund der Krümmung der Oberfläche in Längsrichtung mit jedem genommenen Abschnitt. Wenn das Schiff also in 200 Querschnitte unterteilt wird und für jeden Querschnitt 100 Punkte auf jeder Seite des Rumpfes bestimmt werden müssen, müsste das Polynom 20.000 Mal ausgewertet werden. Die Verwendung von Lochkartengeräten zur Lösung dieses Problems führt zu einer äußerst umständlichen Aufgabe, die nach Abschluss der ursprünglichen Planung automatisch maschinell berechnet wird.

Frau Eleanor Krawitz, die als erste weibliche Autorin gilt, die einen Beitrag zum COLUMBIA ENGINEERING QUARTERLY verfasst hat, kann sich einer ganzen Reihe weiterer bemerkenswerter Erfolge rühmen. Sie machte 1943 ihren Abschluss an der Samuel I. Tilden High School in Brooklyn, wo sie Mitglied der schulischen Ehrengesellschaft „Arista“ gewesen war. Am Brooklyn College war sie Schatzmeisterin der Pi Mu Epsilon, der ehrenamtlichen Mathematikgesellschaft, bis sie 1947 ihren BA in Mathematik erhielt. Anschließend arbeitete sie als Vertretungslehrerin an der Midwood High School und an ihrer Alma Mater, Tilden High, ließ sie aber bald wieder beiseite Sie begann ihre Karriere als High-School-Lehrerin und machte ihren MA in Mathematik an der Columbia University.

Heute ist Frau Krawitz Tabellierbeauftragte im IBM Thomas J. Watson Computing Laboratory an der Columbia University. Sie unterrichtet nicht nur die Astronomieklassen der Graduiertenschule in der Bedienung der Computer, sondern beschäftigt sich auch mit der Einrichtung von Verfahren zur Berechnung von Problemen in der Physik, Mathematik und Astronomie.

Eleanor Krawitz Kolchin verstarb am Freitag, 25. Januar 2019, im Alter von 92 Jahren in Boca Raton, Florida. Sie freute sich über die Aufmerksamkeit, die ihr spät im Leben durch die Veröffentlichung dieses Artikels im Internet im Jahr 2003 und die Übersetzung in so viele Sprachen zuteil wurde. Ihre letzten Worte an mich (im Oktober 2018) waren „Hier funktioniert fast alles nicht. Oooooo“.

Beigetragen von: Eleanor Krawitz Kolchin, November 2003.
Gescannt und in HTML konvertiert: Sa. 22. Nov. 17:06:54 2003
Konvertiert in HTML5: Sa. 23. Feb. 08:52:56 2019

Auch vom Autor:

• Krawitz, Eleanor, „Punched Card Mathematical Tables on Standard IBM Equipment“, Proceedings, Industrial Computation Seminar , IBM, New York (September 1950), S. 52–56.
• Krawitz, Eleanor, „Matrix by Vector Multiplication on the IBM Type 602-A Calculated Punch“, Proceedings, Industrial Computation Seminar , IBM, New York (September 1950), S. 66–70.
• Green, Louis C., Nancy E. Weber und Eleanor Krawitz, „The Use of Calculated and Observed Energies in the Computation of Oscillator Strengths and the f -Sum Rule“ Astrophysical Journal , Bd. 113 Nr. 3 (Mai 1951), S. 690-696.
• Green, Louis C., Marjorie M. Mulder, Paul C. Milner, Margaret N. Lewis, John W. Woll, Jr., Eleanor K. Kolchin und David Mace, „Analyse der Drei-Parameter-Wellenfunktion von Hylleraas für the He i Ground State in Terms of Central Field Wave Functions“, 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 und Robert J. Wisner, „Auswirkung einer erhöhten Flexibilität im trennbaren Faktor von Hylleraas auf die Energie.“ -Type Atomic Wave Functions from H− to O VII“, Physical Review 112, 1187, 15. November 1958.
• Green, Louis C.; Matsushima, Satoshi; Kolchin, Eleanor K., „Tabellen der Kontinuumswellenfunktionen für Wasserstoff“, 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 surface in synchronously rotating close binaries based on polytropic model ν=3“, Astrophysics and Space Science, Ausgabe 2, April 1973, S. 285–288.