Чарльз Бэббидж

Машина Чарльза Бэббиджа — первая в мире программируемая вычислительная машина. 1822 год

Модель аналитической машины фактически можно считать прообразом современного компьютера. Первая в мире программируемая вычислительная машина Чарльза Бэббиджа — 1822.

Чарльз Беббидж считается основателем современной вычислительной техники. В работе Чарльза Бэббиджа прослеживается два направления: разностная и аналитическая вычислительная машины. Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и является предшественницей современных ЭВМ.

Биография Бэббиджа

Чарлз Бэббидж появился на свет 26 декабря 1791 года в Лондоне. Он рос и воспитывался в семье банкира Бенджамина Бэббиджа и Элизабет Тип. У своих родителей Чарлз был одним из 4-х детей.

В детстве Бэббидж был очень слабым и болезненным ребенком. Когда ему исполнилось 8 лет он начал обучение в частной школе, где его воспитывал священник. Любопытно, что родители попросили священника не перегружать их сына знаниями, поскольку беспокоились о его здоровье.

После получения среднего образования Чарлз поступил в академию в Энфилде. Именно в данный период биографии у него проявился живой интерес к математике. В академии была крупная библиотека, что позволило юноше изучать разные труды по математике.

По окончании высшего учебного заведения Бэббидж продолжил получать знания у репетиторов. В 19-летнем возрасте он успешно сдал экзамены в Тринити-колледж в Кембридже. Помимо основной программы, парень продолжал самостоятельно исследовать учебники по математике.

Чарлз днями напролет читал работы Ньютона, Лейбница, Лакруа, Эйлера и прочих светил науки. В результате, ему удалось в кратчайшие сроки обогнать собственных педагогов по знаниям. Вскоре он пришел к выводу, что уровень преподавания математики в колледже довольно низкий.

Это привело к тому, что Бэббидж вместе с друзьями основал «Аналитическое общество», где талантливые студенты могли обсуждать наиболее острые математические вопросы. Одновременно с этим студенты издавали научные статьи и трактаты.

Общество приобрело такую популярность, что в Кембридже были проведены изменения в области математического образования. Любопытно, что позднее подобные реформы были проведены и в ряде других вузах Великобритании. В 1812 г. Чарлз перевелся в колледж Св. Петра, где спустя пару лет удостоился степени бакалавра.

Аналитическая машина — прототип первого компьютера

Бэббидж не очень расстроился неудаче с большой разностной машиной. Уже тогда он понимал, что дело будет за программируемыми машинами. В 1834 году Чарльз начал разрабатывать программируемую аналитическую машину, прообраз современной ЭВМ.

Аналитическая машина Бэббиджа должна была состоять из нескольких частей:
• Склада – хранение результатов операций и значения переменных. Современная память.
• Мельницы – отвечала за операции с переменными, хранения значения переменных участвующих в вычислении в данный момент. Современный процессор.
• Третьего устройства (в чертежах Бэббиджа его названия не называлось) – управление последовательностью операций, перемещение и извлечение переменных в склад, вывод результатов.

Аналитическая машина Бэббиджа программировалась с помощью двух видов перфокарт: операционных карт и карт переменных.

Чарльз Бэббидж умер в 1871 году. После себя он оставил чертежи аналитической машины Первый программист — Ада Лавлейс и конспекты лекций, которые записал преподаватель туринской артиллерийской академии Луиджи Менабреа. На английский язык конспекты перевела друг и соратник Бэббиджа – Ада Лавлейс (дочь Джорджа Байрона). Она снабдила конспекты своими комментариями, которые по объему превосходили основной текст.

Ада Лавлейс в своих комментариях к лекциям Бэббиджа составила и первые инструкции по программированию аналитической машины. После этих инструкций Аду Лавлейс стали считать первым программистом.

В 1888 году сын Чарльза – Генри Бэббидж, создал по чертежам отца основной узел аналитической машины. Полностью машину Бэббиджа удалось создать только в 1906 году усилиями компании Монро.

Карьера

В 1816 году Бэббидж был избран членом Лондонского Королевского общества — ведущего научного общества Великобритании, основанного в 1660 году. Он сыграл важную роль в создании Королевского астрономического (1820) и статистического (1834) обществ. В 1827 году Бэббидж согласился стать профессором в Кембридже и в течение 12 лет преподавал там математику. После того как он завершил карьеру преподавателя, Бэббидж всю оставшуюся жизнь занимался разработкой вычислительных машин.

Идея о создании устройства, которое бы автоматически осуществляло вычисления, посетила Бэббиджа еще в 1812 году. Это устройство позволило бы избежать большого количества ошибок в расчетах. Ведь в те времена все вычисления осуществлялись вручную.

Лишь спустя 7 лет Бэббидж приступил к построению малой разностной машины. В 1822 году он полностью построил машину и 14 июня представил Королевскому астрономическому обществу.

Бэббидж продемонстрировал работу своей механической машины, которая вычисляла последовательность многочленов разностным методом. За ее изобретение Королевское астрономическое общество наградило Бэббиджа золотой медалью в 1824 году.

Затем в 1823 году он получил государственную поддержку для проектирования большой разностной машины, которая могла бы заменить труд большого количества людей, занимающихся вычислениями. В планах изобретателя было закончить работу за 3 года. Однако ее сложная конструкция требовала новых технологий, которые в то время отсутствовали. Поэтому Бэббидж по необходимости посвятил себя развитию техники машиностроения.

В течение почти 19 лет работа по созданию машины то останавливалась, то возобновлялась. Пока в 1842 году Бэббидж не получил окончательный отказ от правительства на выделение денег для проекта. Бэббидж так и не построил большую разностную машину.

В середине 1830-х годов Бэббидж занялся разработкой аналитической машины, которая является предшественницей современного цифрового компьютера. В этом устройстве он предусматривал возможность выполнения любой арифметической операции на основе инструкций перфокарт. Также в этом устройстве был предусмотрен блок памяти для хранения промежуточных и конечных результатов вычислений, и большинство других основных элементов современного компьютера.

В 1843 году подруга Бэббиджа, математик Ада Лавлейс, перевела на французский язык статью об аналитической машине и, в собственных аннотациях, опубликовала, как машина могла выполнять последовательность вычислений. Это считается первой компьютерной программой.

Разработкой машины Бэббидж занимался в одиночку и только за свой счет. Во многом именно отсутствие финансирования и низкий уровень технологий того времени стали причиной того, что аналитическая машина так и не была закончена.

Дизайн Бэббиджа был забыт, пока его неопубликованные тетради не были обнаружены в 1937 году. В 1991 году британские ученые по чертежам Бэббиджа построили разностную машину № 2 — с точностью до 31 цифры, а в 2000 году был также построен принтер для разностной машины.

Чарльз Бэббидж умер 18 октября 1871 года, ему было 79 лет. И лишь в 1906 году благодаря усилиям его сына Генри совместно с компанией Монро была построена действующая модель аналитической машины.

Бэббидж сделал заметный вклад и в других областях. Он содействовал созданию современной почтовой системы в Англии и составил первые надежные актуарные таблицы. Он также изобрел спидометр и путеочиститель для железнодорожных локомотивов.

Программы на перфокартах позволят автоматизировать работу

В 1834 году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину (Analytical Engine). Это был проект компьютера общего назначения с применением перфокарт, а также парового двигателя в качестве источника энергии.

Перфокарты — так назывались картонные карточки с пробитыми в них отверстиями, использовавшиеся для программного управления аналитической машиной Бэббиджа. Перфокарты представляли из себя куски перфорированного картона.

Впервые перфокарты были применены в 1804 г. французом Жаккаром для механического ткацкого станка, управляемого последовательностями таких карт. В соответствии с положениями отверстий на карте челнок совершал определенные движения, придавая ткани соответствующую структуру.

Кстати, в начале 1980-х свои программы все пользователи-программисты того времени набивали именно на перфокарты.

Перфокарты были необходимы для автоматизации работы аналитической машины, которая достигается за счет работы по заранее составленной человеком программе. Именно Чарльз Бэббидж является родоначальником идеи механической машины с программным управлением.

Действительно, без автоматического программного управления вычислительным процессом каждую последующую операцию машине должен «подсказывать» человек, нажимая на соответствующие кнопки. А осмысленно человек в самом лучшем случае может делать это 1-2 раза в секунду из-за инерционности своей нервной системы.

Следовательно, сколь бы быстро не работали блоки машины, она, выполняя каждую операцию по указанию человека, будет работать медленно – в темпе работы своего хозяина. А что, если заранее ввести в машину программу решения задачи и тем самым«научить» ее решать самостоятельно ту или иную задачу? Вот тогда можно добиться, чтобы машина считала «без оглядки на человека», со свойственной ей, машине, скоростью.

Первый компьютер в мире – какой он?

В 40-х годах прошлого столетия функционировало сразу несколько компьютеров, которые можно назвать первыми. Однако еще в 1822 году изобретатель Чарльз Бэббидж выпустил счетную машину, которую с большой натяжкой можно назвать компьютером. Уже в 1941 году компанией IBM при участии математика Говарда Эйксона была разработана и выпущена усовершенствованная машина «Марк 1» (по чертежам Чарльза Бэббиджа). Это первый в США программируемый аппарат, который применялся для разработки военного оборудования.

• Конрад Цузе – немецкий разработчик, в 1939 году создавший машину, которая имела название Z1. Это первое электромеханическое устройство, предназначенное для вычисления аэродинамических характеристик самолета.
• Алан Тьюринг – разработал знаменитую машину, способную расшифровать коды немецкого аппарата «Энигма». Англичане построили более 200 таких компьютеров, каждый весил 2,5 тонны.
• Джон Атанасов – американскому инженеру удалось изобрести первую полностью электронную установку в 1942 году. Машина была способна решать линейные уравнения, ее даже признала «первым компьютером» судебная власть США в 1973 году.
• Джон Мокли – в 1946 г. разработал мощный электронный компьютер ЭНИАК, предназначенный для расчета баллистических таблиц. Данные операции ранее выполнялись людьми вручную. Машина была способна совершать аналогичные вычисления в 2600 раз быстрее.

Именно ЭНИАК считается первым полноценным компьютером, который является полностью вычислительным устройством. Аналоги были у британцев, однако по приказу Черчилля, информация о них была засекречена, а сами машины уничтожены. Компьютер ЭНИАК был громоздким и неудобным в работе, программирование осуществлялось путем переключения кабелей.

ЭНИАК

Личная жизнь

25 июля 1814 года в тинмутской церкви Святого Михаила Чарльз Бэббидж сочетался браком с Джорджианой Уитмор. Вначале пара жила в Шропшире, затем в 1815 году переехала на Девоншир-стрит в Лондон.

Джорджиана Уитмор, жена Чарльза Бэббиджа

В браке у Чарльза и Джорджианы родились 8 детей, однако младенчество пережили только четверо — Бенджамин, Джорджиана, Дугалд и Генри. Самым трудным периодом в личной жизни Чарльза стал 1827 год, тогда умерли отец, жена и двое сыновей ученого.

Интересный факт: за заслуги Бэббиджу предлагали как баронский, так и рыцарский титулы, однако из-за своих политических воззрений он отказался и от того, и от другого.

От Difference Engine к Analytical Engine

Неудачная попытка создания машины не остановила Бэббиджа. С середины 30-х годов он начал работать над своим следующим детищем — программируемой машиной Analytical Engine, которая стала делом его жизни и принесла ему посмертную славу. Это было воистину революционное изобретение, позже всякого рода арифмометров наизобретали немереное количество, но к идеям Analytical Engine смогли вернуться чуть ли не через 100 лет. Это была первая машина, управляемая внешней программой, в период с 1930 по 1950 год такие аппараты широко использовались в бизнесе, в СССР они назывались машиносчетными станциями и просуществовали до конца 60-х, в вузах преподавали специальность «Механизация вычислительных работ».

Для создания компьютера в современном понимании оставалось всего лишь придумать схему с хранимой программой, что и было сделано много лет спустя Эккертом, Мочли и фон Ньюманом. Новая машина отличалась от арифмометра наличием регистров, в них сохранялся промежуточный результат вычисления и с их помощью выполнялись действия, предписанные программой. Вычислительные возможности, открывшиеся с изобретением регистров, поразили самого автора. В мае 1835 года он писал: «Шесть месяцев я составлял проект машины, более совершенной, чем первая. Я сам поражен той вычислительной мощностью, которой она будет обладать, еще год назад я не смог бы в это поверить».

В ней присутствовали все три классических элемента компьютера: store — хранилище (теперь мы называем его памятью), mill — мельница (арифметическое устройство) и control barrel — управляющий барабан (управляющее устройство), для сравнения стоит посмотреть проект новейшего микропроцессора Crusoe. Регистровая память способна была хранить как минимум 100 десятичных чисел по 40 знаков, но теоретически могла быть расширена до 1000 50-разрядных чисел. Мельница состояла из трех основных регистров: два для операндов, а третий для результатов действий, относящихся к умножению. Еще имелась таблица для хранения промежуточных результатов и счетчик числа итераций. Основная программа заносилась на барабан, в дополнение к ней могли быть использованы перфокарты, предложенные в 1805 году французским инженером Жокардом для ткацких машин.

Машина не только выполняла линейные вычисления, в ней были заложены условный и безусловный переходы и циклы. На вход должны были поступать два потока карт, которые Бэббидж назвал операционными картами (operation card) и картами переменных (variable card): первые управляли процессом обработки данных, записанных на вторых. На тех и на других информация записывалась путем пробивки отверстий. Из операционных карт можно было составить библиотеку функций. Помимо этого, Analytical Engine, по замыслу Бэббиджа, должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования.

Все делалось в одиночку, британские ученые мужи его не поддерживали, где искать поддержку? Стоит представить обстановку, в которой работал Бэббидж. Новыми технологиями увлекались все, вошла в моду шляпа-цилиндр, придуманная кутюрье под явным влиянием паровой машины. Промышленные выставки в ту пору были сродни салонам, куда представители высшего света приходили знакомиться с новинками науки и техники. Постоянным их посетителем был Бэббидж, там он пропагандировал свою идею, искал и находил покровительство у членов королевской фамилии, но самое главное — там состоялось знакомство с Адой Лавлейс, ставшей его почитательницей. Нередко ее изображают как спонсора безумных идей, это неверно, сотрудничество было исключительно творческим.

Особое значение имели контакты с итальянскими учеными. В 1840 году Бэббидж был с визитом в Турине, его пригласили туда для чтения лекций о своей машине. Итальянские математики отнеслись к нему с большим пониманием, чем на родине, лекции имели шумный успех. По-видимому, они читались по-французски, поскольку один из слушателей, Луиджи Менабреа, бывший в ту пору преподавателем в Туринской артиллерийской академии, составил и издал конспект на французском языке. Много позже Менабреа стал министром иностранных дел Италии, а 1867 году даже премьер-министром.

Менабреа был глубоким мыслителем, он писал об экономике интеллекта (economy of intelligence). Занятно, что об интеллектуальном капитале заговорили только в середине 90-х годов XX века. Менабреа закончил свое эссе удивительными словами, которые стоило бы услышать тем, кто наделял и наделяет машины сверхчеловеческими способностями. Он написал, интерпретируя слова Бэббиджа (в 1842 году!): «Машина — не мыслящее существо, это просто автомат, выполняющий заложенное в него».

Получив труд Менабреа, Лавлейс перевела его на английский и снабдила пространными комментариями, по объему явно превосходящими исходный текст. Ознакомившись с ним, Бэббидж счел необходимым его опубликовать (перевод с комментариями нетрудно найти в Internet). Это самый интересный документ, посвященный алгоритмической основе Analytical Engine.

Ада Лавлейс перевела замыслы Бэббиджа на математический и технологический языки. Вот несколько фрагментов: «Машину нельзя наделить разумом, она только реализует предложенные представления. Эти представления зафиксированы на картах (перфокартах, тогда не было такого слова. — Прим. авт.), они передаются различным механизмам, выполняющим последовательность действий. Весь интеллектуальный труд ограничен подготовкой необходимых для вычисления выражений. Машину можно рассматривать как настоящую фабрику чисел».

Говард Рейнголд, один из ведущих специалистов в области истории компьютеров, с которым я имею честь быть лично знакомым, в своей книге Whole Earth назвал записки Ады Лавлейс классическими основополагающими документами в теории вычислительных машин (computer science), написанными за век до появления ENIAC.

Analytical Engine так и не была построена. Вот, что писал сам Бэббидж в 1851 году: «Все разработки, связанные с Analytical Engine, выполнены за мой счет. Я провел целый ряд экспериментов и дошел до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы».

В 1851 году Чарльз Бэббидж предпринял попытку построить Difference Engine 2, но и она не была удачной.

Если бы Чарльз Бэббидж был просто математиком, он не смог бы выйти на тот понятийный уровень, который позволил ему ощутить потребность в машине для автоматических вычислений. Он был и философом, и экономистом и даже политэкономом. Еще в 1833 году Чарльз Бэббидж написал книгу «Экономика технологий и производств» (On the Economy of Machinery and Manufactures). Его вполне можно назвать и одним из первых промышленных шпионов, он объездил всю Европу в поисках подходящих для своей цели научных и технических решений.

Последние годы жизни Бэббидж посвятил философии и политической экономии.

Большое влияние на посмертную судьбу машин оказал сын изобретателя генерал Бэббидж. Выйдя в отставку в 1874 году, он несколько лет посвятил изучению имеющегося наследия, в 1880 году начал работу по восстановлению его в «железе», которая продолжалась с переменным успехом до 1896 года. После десятилетнего перерыва она была возобновлена, и появился действующий образец аналитической мащины, способный печатать результаты вычислений.