IAS Machine

Fiche rapide

• Nom : IAS Machine ou IAS Computer
• Institution : Institute for Advanced Study, Princeton
• Début du projet : 1945
• Premiers calculs : 1951
• Achèvement : 1952
• Direction scientifique : John von Neumann
• Ingénieur en chef : Julian Bigelow
• Architecture : binaire, 40 bits
• Mémoire : 1 024 mots de 40 bits
• Technologie mémoire : tubes Williams
• Instructions : 20 bits, deux instructions par mot mémoire
• Technologie électronique : quelques milliers de tubes électroniques
• Type : ordinateur expérimental et scientifique
• Utilisation : calcul scientifique, physique, météorologie, mathématiques
• Fin d’exploitation : 1960

Des travaux sur l’ENIAC à un nouvel ordinateur

L’histoire de l’IAS Machine commence pendant la Seconde Guerre mondiale. John von Neumann s’intéresse aux travaux menés à l’Université de Pennsylvanie autour de l’ENIAC et de son successeur, l’EDVAC.

L’ENIAC est extrêmement rapide pour son époque, mais sa programmation initiale reste largement liée à la configuration physique de la machine. Préparer un nouveau problème peut nécessiter de modifier des connexions et des réglages.

Une autre approche émerge alors : conserver les instructions du programme dans une mémoire électronique, exactement comme les nombres sur lesquels travaille l’ordinateur.

Le principe peut être résumé ainsi : mémoire = données + instructions

Un programme devient donc lui-même un ensemble de nombres que l’ordinateur peut lire en mémoire.

Une architecture destinée à devenir générale

En 1945 puis en 1946, les travaux de von Neumann, Herman Goldstine, Arthur Burks et d’autres chercheurs formalisent une organisation logique reposant sur plusieurs éléments fondamentaux :

• une mémoire pour conserver données et instructions ;
• une unité arithmétique pour effectuer les calculs ;
• une unité de contrôle pour interpréter les instructions ;
• des dispositifs d’entrée ;
• des dispositifs de sortie.

Cette organisation paraît aujourd’hui naturelle parce qu’elle est devenue extrêmement répandue. Dans les années 1940, elle constitue pourtant une manière nouvelle de penser l’ordinateur.

Il serait cependant excessif d’en attribuer l’invention à John von Neumann seul. Les idées du programme enregistré se développent dans plusieurs équipes, notamment autour de l’EDVAC, tandis que les travaux théoriques d’Alan Turing jouent également un rôle essentiel dans la conception de machines universelles programmables.

L’importance du projet IAS réside surtout dans le fait qu’il transforme ces principes en une architecture précisément décrite, construite puis largement diffusée.

Une mémoire de 1 024 mots

L’IAS Machine utilise une mémoire électronique de 1 024 mots de 40 bits, soit 40 960 bits au total.

Cette capacité représente environ 5 kilo-octets selon notre manière moderne de compter. Cela paraît dérisoire aujourd’hui, mais cette mémoire est rapide et directement accessible par le processeur.

Elle utilise des tubes Williams, une technologie développée à Manchester à partir de tubes cathodiques.

La machine comporte 40 tubes de mémoire. Chacun conserve un bit de chacun des 1 024 mots.

On peut imaginer la mémoire sous la forme d’un tableau :

1 024 lignes × 40 colonnes

Chaque ligne constitue un mot de 40 bits. Chaque tube Williams correspond à l’une des 40 colonnes.

Lorsqu’un mot est lu, les 40 bits sont donc récupérés en parallèle dans les différents tubes.

Un mot peut contenir un nombre ou deux instructions

Un mot mémoire de 40 bits peut être utilisé de deux manières principales.

Il peut représenter une donnée numérique complète de 40 bits.

Mais il peut aussi contenir deux instructions de 20 bits :

instruction gauche | instruction droite

Chaque instruction comporte notamment :

• un code indiquant l’opération à effectuer ;
• une adresse mémoire indiquant généralement où se trouve la donnée concernée.

Le processeur peut ainsi extraire un mot puis exécuter successivement les deux instructions qu’il contient.

Cette organisation permet de placer un programme dans exactement la même mémoire que ses données.

Pourquoi mélanger programme et données change tout

Le fait de conserver les instructions et les données dans une mémoire commune possède une conséquence fondamentale : le programme devient lui-même une donnée manipulable par l’ordinateur.

Une instruction enregistrée en mémoire est simplement une suite de bits.

La machine peut donc, si le programme le prévoit, modifier certaines de ses propres instructions.

Cette technique, appelée aujourd’hui code auto-modifiant, est fréquemment utilisée sur les premiers ordinateurs, notamment parce que l’IAS Machine ne possède pas encore certains mécanismes qui deviendront courants plus tard, comme les registres d’index.

Pour parcourir successivement un tableau, par exemple, un programme peut modifier directement l’adresse contenue dans une instruction.

Cette pratique paraît aujourd’hui inhabituelle, mais elle montre concrètement ce que signifie placer le programme et les données dans la même mémoire.

Le processeur : calculer et contrôler

L’IAS Machine possède une unité arithmétique capable de travailler directement sur des mots de 40 bits.

Deux registres jouent notamment un rôle important :

• AC — Accumulator : utilisé pour conserver les résultats intermédiaires des calculs ;
• MQ — Multiplier Quotient : utilisé notamment lors des multiplications et divisions.

L’unité de contrôle lit les instructions en mémoire, décode l’opération demandée puis commande les différentes parties de l’ordinateur.

Le fonctionnement général peut être résumé ainsi :

chercher l’instruction → décoder → exécuter → passer à l’instruction suivante

Ce cycle constitue encore aujourd’hui le principe général de fonctionnement de nombreux processeurs.

Une machine asynchrone

L’IAS Machine possède une autre particularité importante : son fonctionnement est largement asynchrone.

Un ordinateur moderne possède généralement une horloge qui rythme l’ensemble du processeur. Les différentes opérations avancent en suivant les impulsions de cette horloge.

Dans l’IAS Machine, les différentes unités peuvent au contraire signaler lorsqu’elles ont terminé leur travail. L’étape suivante peut alors commencer.

Le temps nécessaire dépend donc davantage de l’opération réellement effectuée que d’un nombre fixe de cycles d’horloge.

Cette organisation permet d’éviter d’attendre inutilement lorsqu’une opération se termine rapidement, mais elle rend également la conception électronique plus délicate.

Une machine construite pour la recherche scientifique

L’IAS Machine n’est pas seulement destinée à démontrer une architecture informatique.

Dès sa construction, John von Neumann souhaite l’utiliser pour résoudre des problèmes scientifiques qui demanderaient un temps considérable avec des méthodes manuelles ou mécaniques.

La machine sert notamment à des travaux portant sur :

• la physique nucléaire ;
• les calculs liés aux armes thermonucléaires ;
• la météorologie numérique ;
• l’évolution des étoiles ;
• les mathématiques ;
• la dynamique des fluides.

Dès l’été 1951, alors que la machine n’est pas encore officiellement achevée, des chercheurs de Los Alamos effectuent déjà d’importants calculs thermonucléaires sur le système.

L’ordinateur cesse donc rapidement d’être seulement un prototype : il devient un véritable instrument scientifique.

La météorologie devient numérique

John von Neumann s’intéresse particulièrement à la possibilité de prévoir l’évolution de l’atmosphère à l’aide d’équations mathématiques.

La météorologie constitue un problème idéal pour les premiers ordinateurs : les équations sont connues, mais leur résolution nécessite d’effectuer une quantité gigantesque de calculs.

Autour de l’IAS Machine, des chercheurs comme Jule Charney, Norman Phillips et d’autres spécialistes développent progressivement des modèles numériques de l’atmosphère.

La machine participe ainsi à l’émergence d’un domaine aujourd’hui essentiel : la simulation informatique du climat et de la météo.

Une architecture volontairement diffusée

L’aspect probablement le plus important de l’IAS Machine se situe pourtant en dehors de la machine elle-même.

L’équipe du projet publie régulièrement des rapports techniques détaillés décrivant son architecture, ses circuits et les problèmes rencontrés.

John von Neumann souhaite que les résultats restent largement accessibles au monde scientifique.

Les laboratoires intéressés n’ont donc pas besoin de repartir de zéro : ils peuvent consulter les documents du projet IAS puis construire leurs propres ordinateurs.

Cette diffusion accélère considérablement le développement de l’informatique dans les années 1950.

Une véritable famille de machines

De nombreux ordinateurs sont construits en reprenant directement ou indirectement l’architecture de l’IAS Machine.

Aux États-Unis, on trouve notamment :

• AVIDAC à Argonne National Laboratory ;
• ILLIAC à l’Université de l’Illinois ;
• JOHNNIAC à la RAND Corporation ;
• MANIAC à Los Alamos ;
• ORDVAC à Aberdeen ;
• ORACLE à Oak Ridge.

D’autres machines inspirées du projet apparaissent également hors des États-Unis, notamment BESK en Suède, DASK au Danemark, SILLIAC en Australie ou WEIZAC en Israël.

Fait remarquable, certaines de ces machines sont terminées avant même l’IAS Machine originale. Les équipes extérieures bénéficient en effet des plans et des solutions déjà publiés par le projet.

L’IAS Machine devient donc moins importante comme exemplaire unique que comme modèle reproductible.

Pourquoi l’IAS Machine est-elle importante ?

• Architecture : elle matérialise une organisation claire du processeur, de la mémoire et des entrées-sorties.
• Programme enregistré : les instructions sont placées dans la même mémoire électronique que les données.
• Mémoire rapide : les tubes Williams permettent un accès électronique direct aux différents mots.
• Programmation : deux instructions de 20 bits peuvent être enregistrées dans chaque mot de 40 bits.
• Recherche scientifique : elle est utilisée pour des calculs complexes en physique, météorologie et mathématiques.
• Diffusion : les plans et rapports sont largement partagés avec d’autres laboratoires.
• Héritage : une véritable famille internationale d’ordinateurs est construite à partir de ses principes.

L’IAS Machine ne doit donc pas être considérée comme le point de départ unique de l’ordinateur moderne. Son importance vient plutôt de sa capacité à transformer plusieurs idées émergentes en un modèle cohérent, documenté et reproductible.

À ce titre, son influence dépasse très largement l’exemplaire construit à Princeton.

Repères chronologiques

• 1945 : lancement du projet d’ordinateur électronique à l’Institute for Advanced Study.
• 1946 : publication de la première version du Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument.
• 1946-1951 : conception et construction de la machine.
• Été 1951 : premiers grands calculs scientifiques réalisés sur l’IAS Machine.
• Début 1952 : achèvement de la machine.
• 10 juin 1952 : présentation officielle de l’IAS Machine.
• Années 1950 : construction de nombreuses machines inspirées de son architecture aux États-Unis et dans plusieurs autres pays.
• 1953 : ajout d’un stockage sur tambour magnétique.
• 1960 : fin de l’exploitation de l’IAS Machine et transfert au Smithsonian.

Sources documentaires

• Institute for Advanced Study, Electronic Computer Project.
• Arthur W. Burks, Herman H. Goldstine et John von Neumann, Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument, 1946.
• William Aspray, John von Neumann and the Origins of Modern Computing.
• George Dyson, Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe.
• Computer History Museum, ressources consacrées à l’IAS Computer et à la famille des machines IAS.