`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера

Статья опубликована в №19 (636) от 20 мая

+44
голоса

Английский математик и инженер Чарльз Бэббидж (1791–1871) является одной из самых значительных фигур в предыстории компьютерных вычислений. Его по праву называют отцом вычислительной техники. Построенная им разностная машина № 1 (Difference Engine № 1) была первым успешным автоматическим устройством и остается примером инженерной точности даже в наше время. Хотя идеи Бэббиджа прямо не повлияли на создание современных компьютеров, его Аналитическая машина, задуманная в 1834 г., обладала всеми существенными логическими возможностями сегодняшних универсальных ПК.

Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Чарльз Бэббидж

Чарльз Бэббидж родился 26 декабря 1791 г. в Уолворте, графство Суррей, Англия. Он был одним из четырех детей в семье банкира Бенджамина Бэббиджа и Элизабет Тип (Elizabeth Teape). В юные годы Чарльз самостоятельно изучал алгебру, в которую был прямо-таки влюблен, а также штудировал труды многих европейских математиков. Посещая Тринити-Колледж в Кембридже в 1810 г., он обнаружил, что опережает в этой области некоторых учителей. Свое образование он завершил в в 1814 г. в Питерхаузе (колледж Святого Петра, Кембридж). В 1816 г. Чарльз Бэббидж был избран членом Королевского общества и занимал должность Лукасовского профессора математики (основана лордом Генри Лукасом в 1663 г.) в Кембриджском университете с 1828 г. по 1839 г.

Для правильной оценки мотиваций Чарльза Бэббиджа необходимо немного представить «технологическую атмосферу» 20–30-х годов XIX столетия. Это было время беспрецедентных инженерных амбиций. Транспорт, коммуникации, архитектура и производство находились в состоянии лихорадочных изменений. Изобретатели и конструкторы использовали новые материалы и процессы, и, казалось, инновациям не будет конца. Паровые машины неуклонно заменяли тягловую силу животных, металлические пароходы начали конкурировать с парусными судами, сеть железных дорог стремительно расширялась, а телеграф совершил революцию в коммуникациях. Расцвет науки, инженерии и появление новых технологий сулили неограниченные возможности.

Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Деталь оригинальной разностной машины № 1 (вверху) и чертежи блока переноса разряда

В то же время архитекторы, математики, астрономы, штурманы, специалисты ряда других профессий, в общем, все, кому необходимо было выполнять нетривиальные вычисления, использовали для этого напечатанные числовые таблицы, которые вычислялись, копировались, проверялись и набирались для печати вручную. Однако людям свойственно ошибаться, и предчувствие, что необнаруженная в расчетах ошибка приведет к катастрофе, никогда не покидало пользователей этих таблиц. Современник Бэббиджа Дионисиус Ларднер (Dionysius Lardner) написал в 1834 г., что случайная выборка из 40 томов числовых таблиц содержала не менее 3700 подтвержденных ошибок и неизвестное количество неподтвержденных. Это обусловливалось тремя основными причинами: ошибками в вычислениях, при подготовке рукописей и при наборе и печати.

Чарльз Бэббидж был не только экспертом в числовых таблицах, но и большим их поклонником: его собственная коллекция насчитывала около 300 томов и слыла самой представительной в мире. Он весьма критически относился к ошибкам, и его основным мотивом для разработки счетной машины стало желание удалить риск их возникновения при создании математических таблиц.

Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Часть вертикального стержня с цифровыми дисками

Довольно активные попытки автоматизировать вычисления предпринимались еще в XVII–XVIII веках. Приведем здесь наиболее известные примеры. Так, в 1623 г. Вильгельм Шиккард (Wilhelm Schickard) построил первый дискретный автоматический калькулятор и таким образом, по существу, открыл компьютерную эру. Его устройство, которое называлось «вычисляющие часы», было способно складывать и вычитать шестизначные числа и сообщало о переполнении звуком колокольчика. Операции выполнялись с помощью колесиков, и полный оборот колесика единиц инкрементировал колесо десятков. Эта концепция впоследствии нашла широкое применение. Шиккард был другом Иоганна Кеплера, и говорят, что тот пользовался изобретением Шиккарда при своих вычислениях. И машина, и ее чертежи пропали во время войны. Она была вновь «переоткрыта» в 1935, чтобы снова затеряться в очередной войне, а затем еще раз в 1956 г., и реконструирована в 1960-м.

Блез Паскаль построил суммирующий аппарат в 1642 г. Хотя его Pascaline была и не столь мощной, как машина Шиккарда, она получила большую известность. Он собрал около 50 штук, но смог продать только дюжину различных модификаций, работающих с восьмизначными числами.

Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Разностная машина № 2 в сборе

В 1671 г. известный математик Готфрид Лейбниц разработал устройство, которое могло умножать пяти- и двенадцатиразрядные числа и давать шестнадцатиразрядный результат. Оно затерялось на чердаке и было вновь изобретено в 1879 г. Однако наибольшим вкладом Лейбница в вычисления считается введение им двоичной системы счисления, использующейся сегодня во всех компьютерах. Но вернемся к Чарльзу Бэббиджу.

Предание гласит, что в 1821 г. Бэббидж и его друг, астроном Джон Гершель (John Hershel), сын известного астронома сэра Уильяма Гершеля, открывшего планету Уран, проверяли вручную числовые таблицы и находили одну ошибку за другой. Тогда Чарльз в отчаянии воскликнул: «Господи, если бы эти вычисления выполнялись с помощью пара!». Именно после этого он задумал сконструировать механический вычислитель беспрецедентной величины и сложности. Стереотипирование – процесс автоматической штамповки результатов – должно исключить ошибки при тиражировании таблиц. Таковым являлся план, который изобретатель, к сожалению, не смог реализовать при жизни. И причиной тому стали отнюдь не принципиальные ошибки.

Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Устройство вывода (принтер)

Итак, Бэббидж начал работу над своим проектом в 1821 г. В отличие от калькуляторов Шиккарда, Паскаля и Лейбница, разностная машина Бэббиджа предназначалась не для выполнения базовой арифметики, а для вычисления полиномов, имеющих множество приложений, и автоматической печати результатов. Она использовала метод разделенных разностей, хорошо известный тогда. Его преимущество заключается в том, что вычисление значений полиномов (в частном случае) на последовательности равноотстоящих точек не требовало производить операции умножения и деления, а сложение на механических калькуляторах было реализовать намного легче.

Однако технологические требования для производства частей машины Бэббиджа выходили за стандарты существующей на тот момент инженерной практики. Сложные формы деталей нуждались в специальных шаблонах и инструментах, к тому же необходимо было изготовить сотни идентичных деталей с довольно высокой точностью. К сожалению, Бэббидж задумал свою машину в то время, когда технология производства находилась в переходном периоде между ручным штучным и массовым изготовлением, и средств для автоматического производства повторяющихся деталей еще не было.

Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Чарльз Бэббидж – создатель первого компьютера
Основные этапы сборки машины в Музее истории компьютера и команда, которая ее осуществила

Конечно, Бэббидж тщательно рассмотрел существующие технологию и практику производства, посетив фабрики и мастерские как в Англии, так и на континенте. И сделал неутешительные выводы: точность и сложность требуемых для его машины деталей находятся за пределами возможностей технологии того времени. Согласно проекту полноразмерная разностная машина № 1 должна была состоять приблизительно из 25 тыс. деталей, суммарный вес которых достигал примерно 15 т. В собранном виде ее размеры составляли 2,1×2,5×0,9 м (Д×В×Ш).

Для создания проекта Чарльз Бэббидж нанял опытного инструментальщика и чертежника Джозефа Клемента (Joseph Clement). Законченная часть машины была собрана в 1832 г. и сегодня является одним из наиболее известных экспонатов в предыстории вычислительной техники. Это старейший из сохранившихся автоматических калькуляторов и пример непревзойденной по тем временам точности изготовления.

Надо сказать, что Бэббидж получил от правительства огромный грант – 17 500 фунтов стерлингов. Но работа над машиной остановилась в 1833 г., когда Клемент отказался от дальнейшего участия ввиду неразрешимого спора о компенсации за перемещение его мастерской на расстояние 4 мили к новому жилищу Бэббиджа. Так это устройство никогда и не построили. Около 12 тыс. неиспользованных частей, изготовленных с высокой точностью, позднее расплавили на лом. За средства, потраченные на разработку, можно было купить 22 новых паровоза на фабрике Роберта Стивенсона – чудовищная сумма в 1831 г.

Но Чарльз Бэббидж не сдался. В 1834 г. он задумывает новый, более амбициозный проект – универсальную программируемую вычислительную машину, впоследствии названную аналитической (Analytical Engine). Это был качественный скачок как в отношении логической концепции, так и инженерной конструкции. Данная модель расценивается как одно из замечательнейших интеллектуальных достижений XIX столетия.

Аналитическая машина обладала многими особенностями, присущими современным цифровым компьютерам. Она программировалась с помощью перфокарт – идея была заимствована из ткацкого станка Жаккарда, где они использовались для выработки крупноузорчатых тканей. Машина имела «склад», где хранились числа и промежуточные результаты, и отдельную «фабрику», выполняющую арифметические операции. В нее были «встроены» четыре арифметические функции, и она могла осуществлять прямые операции умножения и деления. Аналитическая машина также выполняла ряд действий, которые в современной терминологии носят названия «условный переход», «цикл», «микропрограммирование», «параллельная обработка», «защелка», «опрос», хотя сам Бэббидж никогда не применял этих терминов. В ней предполагались разные устройства вывода, включающие вывод на печать, перфоратор, плоттер и автоматическое получение стереотипов для изготовления печатных форм.

Логическая структура аналитической машины, по существу, совпадала с таковой для современных компьютеров: отдельные память (склад) и центральный процессор (фабрика), последовательные операции, использующие цикл «выборка–исполнение», и блоки для ввода и вывода данных и инструкций.

Небезынтересно отметить, что в 1833 г. на сцене появляется Ада Лавлейс, дочь английского поэта лорда Байрона, эпатировавшего лондонский истеблишмент до такой степени, что даже Пушкин, тоже не подарок, от него открещивался. «Нет, я не Байрон, я – другой ...», – писал он, возможно, с сожаленьем.

Чарльз Бэббидж встретил ее на какой-то вечеринке. Лавлейс, которой исполнилось тогда семнадцать, имела некоторые познания в математике, что считалось весьма необычным для женщин того времени. Она познакомилась с небольшой рабочей секцией машины и сразу же стала приверженцем работы Бэббиджа. В 1843 г. Лавлейс перевела и опубликовала статью итальянского инженера Луиджи Менабреа (Luigi Menabrea) и написала к ней довольно обширное приложение, занимавшее в три раза больший объем, чем сам оригинал. Оно включало описание шагов, которые должна была сделать машина для решения определенной математической задачи, то есть, по сути, представила первое описание программы.

Лавлейс предположила, что машина способна выйти за границы чисел и манипулировать символами по определенным правилам. Она увидела, что числа могут быть представлены другими сущностями – например, буквами алфавита, и вместо манипулирования только цифрами вычислительные машины расширят свои возможности.

Эта запись, как показал XX век, оказалась пророческой, и появления программ Бэббидж не предвидел, несмотря на прозорливость.

В процессе работы над аналитической машиной он понял, как можно упростить разностную машину, и в период между 1847 г. и 1849 г. приступил к созданию ее второго варианта – Difference Engine № 2. Проект был более элегантный, поскольку вобрал в себя многие наработки от аналитической машины и требовал в три раза меньше деталей, чем предыдущий, при этом сохраняя все его возможности. С 8 тыс. деталей машина весила бы 5 т.

Бэббидж не предпринимал никаких попыток построить разностную машину № 2. Нужно сказать, что кроме нескольких частично завершенных механических сборок и тестовых моделей небольших работающих секций, ни одна из машин изобретателя не была построена в течение его жизни.

Чтобы доказать тезис, что только ограниченные возможности технологий викторианской эпохи стали основной причиной того, что Бэббидж не смог построить свои машины, Музей науки в Лондоне начал в 1985 г. создавать разностную машину № 2 по его оригинальным чертежам и из материалов, которые наиболее соответствовали бы тому периоду. Для производства повторяющихся деталей использовалась современная техника, точность же постарались оставить на уровне времен Бэббиджа. Вычислительная секция устройства, законченная в 1991 г., состоит из 4 тыс. движущихся деталей (исключая печатающий механизм) и весит 2,6 т. Ее длина достигает 3,4 м, высота – 2,1 м, а ширина – 5,5 м. В 2000–2002 гг. Музей добавил печатающее устройство, которое по размерам оказалось почти таким же, как и калькулятор, и весило 2,5 т, а также аппаратуру для стереотипирования. Таким образом, в целом проект занял 17 лет.

Дубликат машины и принтера, или «второй оригинал», закончили в апреле нынешнего года для частного благотворителя проекта Натана Мирвольда (Nathan Myhrvold), в прошлом вице-президента Microsoft. Мирвольд любезно согласился немного подождать с доставкой машины в его резиденцию и «одолжил» этот уникальный экспонат Музею истории компьютера в Маунтейн-Вью, Калифорния, где он будет выставлен вплоть до мая 2009 г. Можно сказать, что постиндустриальный век отдал должное человеку, который заложил его основы еще 160 лет назад.

+44
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Как-то поинтересовался сколько будет стоить изготовить самолёт, который остался в проекте. Не помню его названия, но проектировали его для второй мировой войны против тогдашней Германии. Пока проектировали война кончилась, (Немцы со воей адской машиной также не успели. Старались, но война кончилась.) Потом как выяснилось для ответа реваншистам самолёт не понадобился. И спроектированный самолёт остался не востребованным, так его и не построили. Каждый раз когда нужен новый самолёт вспоминают тот проект. который по многим характиристиками превосходил своих возможных соперников. Да и по большему счету и некоторые машины спроектированные после него. В 50-е годы эта машина уже имела свойства присущие реактивным самолётам последующих десятилетий. К тому же (в проекте) была оснащена уникальным радиоэлектронным оборудованием (принцип работы которого оказался востребованным только через многие годы). Многие спрашивают сколько бы обошлось построить хотя бы одну такую машину. И оказывается что практически столько же сколько новый самолёт, которых всегда не хватает, а стоят они не дёшево. Ведь речь идёт не о том чтобы выкупить отслуживший самолёт и поставить его как музейный экспонат, а полностью изготовить сложную машину. Да и проект, оказалось, требует доводки, ещё дополнительные затраты..
Мало того если сделать такую машину, то это будет машина с заведомо ухудшенными характеристиками. А если пойти по пути улучшая такие характеристики до современных, то получается практически вся послевоенная реактивная авиация такого класса.

Может и для машины Чарльза Бабиджа есть такое же место как будто бы современные компьютеры, это попытка воссоздать то что так и не достроили.

--DawnON

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT