Speling
Wanneer de mens het ‘cijferen’ onder de knie krijgt, hebben de hersens al snel behoefte aan assistentie. Berekeningen voor de handel en de wetenschap moeten snel en betrouwbaar uitgevoerd worden. En dat blijken tegengestelde eisen voor onze grijze massa. De oude Chinezen bedachten hun abacus om dit probleem het hoofd te bieden. Een doorslaand succes! Het telraam veroverde de wereld. Immers, dit simpele hulpmiddel kan in de handen van een ervaren gebruiker in een mum van tijd betrouwbare uitkomsten geven.
De westerse wetenschap kwam veel later met een antwoord. Geplaagd door eentonige maar toch noodzakelijke berekeningen voor bijvoorbeeld astronomie of navigatie. Zo bouwde de Fransman Blaise Pascal in 1642 een machine die kon optellen. Een paar decennia later zag ook in Duitsland een mechanische rekendoos het levenslicht. De wiskundige Gottfried Wilhelm Leibniz ontwikkelde een machine die met behulp van tandwielen kon optellen, aftrekken, vermenigvuldigen en delen. Dit om meer energie te kunnen steken in ‘echt’ wetenschappelijk onderzoek. Het berekenen van astronomische tabellen nam immers een te groot deel van zijn aandacht in beslag. Zonde van zijn tijd. Terwijl iedereen dit zou kunnen doen, mits in bezit van een rekenautomaat. Helaas bleek de techniek niet in staat onderdelen te fabriceren die aan de hoge kwaliteitseisen voldeden. Leibnitz’ rekenmachine was door speling op de tandwielen niet betrouwbaar genoeg.
Inlevingsvermogen
De voorloper van de computer zag in de eerste helft van de vorige eeuw het levenslicht. De excentrieke Britse uitvinder Charles Babbage presenteerde toen al plannen voor zijn difference en-gine en later de analytical engine. Deze machines konden niet alleen de vier hoofdbewerkingen aan, maar konden tevens vergelijkingen oplossen. Maar ook hier bleek de techniek de bottleneck. De ingewikkelde tandwielkast had nauwkeurig gemaakte onderdelen nodig, en die konden de ambachts-lieden niet leveren. Achteraf zo bleek niet door gebrek aan technologie, zoals bij Leibnitz, maar door gebrek aan inlevingsvermogen. De vakmensen begrepen niet dat, een voor die tijd belachelijke precisie, verschil kon uitmaken. Babbage leverde de intellectuele doorbraak met zijn voorloper van de huidige computer, de technologie stond een echte vooruitgang in de weg. Pas nadat de mechanische componenten het veld moesten ruimen voor de elektrische schakelingen was het hek van de dam. Maar dit gebeurde niet eerder dan in jaren dertig van deze eeuw. Ruim honderd jaar nadat Babbage de vijf basisprocessen al had bedacht: invoer, controle, processor, opslag, uitvoer.
In 1937 bouwt George Stibits een eenvoudig elektrisch circuit, dat binaire optellingen kon uitvoeren. Dit circuit vormt nog steeds de bouwsteen van de moderne computers. De Tweede Wereldoorlog brengt daarna het automatisch rekenen in een stroomversnelling. In 1943 kwam de Harvard Mark 1 in dienst. Het bleek geen stille werkkracht ergens op de achtergrond. Immers, programmeren betekende 420 draaiknoppen met de hand instellen. En echt geruisloos werkte de machine ook nog niet: 3304 relais zorgde voor een oorverdovend lawaai. Maar rekenen kon de Mark 1. Getallen van 23 cijfers telde hij binnen 0,3 seconde op. Vermenigvuldigen kostte 3 tellen. Dat deed geen mens hem na.
Simulatie
De techniek weet de componenten voortdurend te verbeteren; de relais maken plaats voor radiobuizen, de buizen voor transistors, en de chips worden geboren. De computerbouwers weten nieuwe generaties hardware daardoor tot steeds hogere prestaties op te zwepen. Zie bijvoorbeeld het rijtje: Eniac (1945, 17.486 vacuümbuizen), Stretch (1961, 170.000 transistors), Cray 1 (1976, 1 miljoen geïntegreerde transistors), CM-5 (1992, een half miljard transistors).
De wetenschap heeft de computer een steeds groter getallenmanipulerend vermogen gegeven, maar de computer gaf de wetenschap ook iets terug. Namelijk, een nieuwe techniek om problemen op te lossen. Tot voor de komst van de rekendoos beperkte het wetenschappelijke onderzoek zich tot twee methodologieën: het experiment en de theorie. Nu komt daar de computationele methode bij, oftewel de simulatie. Complexe wiskundige modellen kunnen in silico opgelost worden. Bijvoorbeeld onderzoek naar meteorologische verschijnselen als onweer, of -heel actueel- tornado’s. Dit vindt steeds meer vanachter het beeldscherm dan in de buitenlucht plaats.
Modellen
Het boek Supercomputers in wetenschap en techniek gaat voornamelijk in op de toepassingen van de simulatie-techniek. Uiteraard behandelt dit schitterend geïllustreerde boekwerk de geschiedenis en achtergronden van illustere getallenkrakers als de Cray, de Eniac en de Mark. Ook de computer-architectuur en het bouwen van modellen komt aan bod. Wat opbouw betreft zit het wel snor.
De schrijvers reserveerden het grootste gedeelte van het boek voor voorbeelden. Ook weer prachtig gestructureerd. Het begint bij het kleine: ‘de quantumwereld’ (onder andere elementaire deeltjes, supergeleiding), gaat via de ‘binnenkant van het leven’ (de bouwstenen van het leven, virusbestrijding) naar het meer zichtbare ‘rijk van de ingenieur’ (de drogere luier, ijzer gieten). Ook het grote komt aan bod: van ‘onze dynamische planeet’ (oceaanstromen, Tsjernobyl) tot aan het onzichtbaar grote ‘sleutel tot het heelal’ (actieve melkwegcentra, structuur in het heelal).
Het boek leest en oogt prettig, maar de zeer grote hoeveelheid voorbeelden beukt de lezer murw. Als met een machinegeweer vuren de schrijvers steeds weer nieuwe toepassingen op de lezer af. Het had geen kwaad gekund het aantal te beperken, ten gunste van een betere balans tussen diepgang en voorbeelden. Soms lopen de schrijvers zichzelf namelijk voorbij. De theorie komt zeer uitgebreid aan bod en de rekendoos krijgt maar een lullige bijrol, zie bijvoorbeeld het hoofdstuk over de quantumwereld. Het kan echter wel, zie het schitterende verhaal over de simulatie van een Mach-jet (een stof wordt met hoge snelheid in een stof met lagere dichtheid gespoten). Goede uitleg, mooie illustraties en de supercompu-
ter blijft steeds in beeld!
Supercomputers in wetenschap en techniek; William J. Kaufmann III en Larry L. Smarr; 233 pagina’s; uitgeverij Natuur & Techniek, Beek 1996; ISBN 90 73035 47 3; fl. 76,50
Leven onder glas
Abigail Alling en Mark Nelson
uitgeverij Elmar, 1993
bij De Slegte voor fl. 14,90