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.
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
Память: склад
Любому компьютеру, паровому или электронному, необходима возможность хранения данных. В изобретении Бэббиджа он назывался складом, и, как практически вся машина, он состоял из зубчатых колес, расположенных в высоких столбцах. На каждом из столбцов хранилось только одно число не длиннее пятидесяти цифр, а верхнее колесо определяло положительно число или отрицательно.
Согласно моим оценкам, пройдет немало времени, прежде чем эти ограничения перестанут удовлетворять нуждам науки.
Чарльз Бэббидж
На чертежах Бэббиджа склад состоял из двух параллельных рядов высоких числовых столбцов, и в каждом из них хранилось одно число. Одна из сторон склада сообщалась с мельницей.
Кроме зубчатых колес числа могли храниться на числовых картах в виде комбинаций отверстий:
На своих схемах Чарльз изображал ряд столбцов уходящим за край листа и не указывал конечное количество чисел, которые могла бы запоминать заключительная версия Машины.
Личность Чарльза Бэббиджа и его заслуги.
Как мы уже писали выше, технологическая база того времени значительно уступала ходу мыслей Чарльза Бэббиджа. Для изготовления своих машин изобретатель сконструировал поперечно-строгальный и токарно-револьверный станок, открыл новый метод изготовления зубчатых колес и сконструировал еще множество различных устройств.
Перфокарты для програмирования аналитической машины Бэббиджа
Кроме того, ум Бэббиджа был использован в изобретении спидометра и тахометра. Так же ученый изобрел вагон-лабораторию оборудованную самописцами, приспособление для сбрасывания предметов с рельс.
Поучаствовал наш герой и в реформировании почтовой системы Англии, занимался вопросами шифрования и электромагнетизма.
Чарльз Бэббидж был очень разносторонним человеком. Среди его друзей значились Жан Фуко, Чарльз Дарвин, Юнг, Фурье и Пьер Лаплас. В истории талантливый изобретатель и математик оставил огромный след, недаром Бэббиджа называют изобретателем первого компьютера.
Математика и изобретения
Благодаря репутации одного из лучших выпускников Чарльз быстро добился успеха в научной области. Уже в 1815 году он читал лекции в Королевском институте, а в 1816 году стал членом Королевского общества. С карьерой, однако, не ладилось, и, претендуя на преподавательские должности, он неоднократно получал отказы. Поэтому до 1827 года мужчина финансово зависел от отца и получил деньги в собственное распоряжение только после его смерти.
Ученый Чарльз Бэббидж
Чарльз Бэббидж был ученым, внесшим вклад во многие точные науки, от астрономии до экономики. Но наиболее известным его наследием стали труды в области разработки вычислительных аппаратов, предвосхитивших ЭВМ и современные компьютеры.
Первым таким проектом в биографии мужчины стала большая разностная машина. Идея о ее создании появилась у Чарльза в 1822 году. Аппарат по задумке должен был помочь людям в вычислениях, нужных для астрономии и навигации, которые в то время занимали много времени и были сопряжены с риском ошибок, допущенных человеком.
Часть разностной машины Чарльза Бэббиджа
В 1823 году молодому ученому выделили средства на создание аппарата, поскольку и Королевское, и Астрономическое общества с энтузиазмом восприняли идею Бэббиджа. Однако Чарльзу не удалось верно рассчитать ни время, ни средства. Запланированных 3-х лет и полученных £1500 категорически не хватило.
К 1827 году траты выросли более чем в 2 раза, причем немалые средства Бэббиджу пришлось выложить из собственного кармана. Работу временно пришлось оставить, после личной трагедии Чарльз не мог продолжать научные изыскания, и вернуться к разностной машине ученый сумел только в 1828 году. Деньги к тому времени закончились, а получить дополнительное финансирование от государства Бэббидж смог только в 1830 году.
Портрет Чарльза Бэббиджа
Спустя 4 года работа вновь встала, несмотря на огромные суммы, уже затраченные на конструирование изделия. £17 тыс. выделило на создание разностной машины государство, еще £6-7 тыс. вложил сам ученый. До 1842 года власти решали, продолжить ли вкладывать деньги в проект, и в итоге отказали. При жизни Чарльза аппарат так и не был доделан. В конце 1840-х мужчина вернулся к идее разностной машины и задумал создать улучшенную версию, но и эта попытка не увенчалась успехом.
Трудная и нерезультативная работа с разностной машиной не остановила полет мысли Чарльза, и в 1833 году ему в голову пришла новая идея — создать аналитическую машину, аппарат, который можно было бы программировать. В отличие от разностной машины, она смогла бы решать более сложные задачи.
Копия разностной машины в лондонском Музее науки
В 1834 году Бэббидж приступил к созданию аналитической машины, предшественницы цифровых компьютеров, принесшей ему славу, пусть и после смерти. Конструкция аппарата подразумевала наличие памяти (склада), мельницы (аналога процессора), управления и устройства для ввода и вывода данных. Также в конструкции был еще один элемент, который регулировал последовательность операций, взаимодействовал со «складом» и считывал данные с перфокарт.
Над проектом Чарльз работал самостоятельно, и единственным человеком, увидевшим полный потенциал идеи, стала Ада Лавлейс, женщина, которую сегодня считают первым программистом. Ее труды, основанные на проекте аналитической машины, считаются первой работой в области информатики.
Портрет Ады Лавлейс
Несмотря на то, что научные круги проявили интерес к аналитической вычислительной машине, она, так же, как и разностная машина, не была доделана. В 1851 году ученый писал, что его возможностей, в первую очередь финансовых, уже недостаточно для окончания работы.
Работу Чарльза после смерти ученого продолжил его сын Генри. К 1888 году ему удалось создать центральный узел аналитической машины, а в 1906 году при содействии фирмы «Монро» Бэббиджем-младшим была сделана полноценная и работоспособная модель.
Труды Чарльза в области разностной машины также имели продолжение: по его чертежам несколько аппаратов в 1854 году было выпущено в Швеции. Затем Мартин Виберг внес в модель улучшения, после чего использовал машину для расчетов в области логарифмических таблиц.
Чарльз Бэббидж
Частично причиной неудач стала чрезмерная разносторонняя увлеченность Бэббиджа. Он много времени уделял другим научным областям, причем с успехом. Интерес к железнодорожному сообщению привел к тому, что Чарльз изобрел спидометр и стал одним из создателей тахометра. Есть за что благодарить ученого и металлообработке: Бэббиджем сконструированы инновационные станки, а также разработан метод изготовления зубчатых колес.
Важной прижизненной работой ученого стал труд «Экономика технологий и производств». Тема, поднятая в книге, сегодня носит название «исследование операций». После публикации работа отлично продавалась и в 1836 году вышло уже 4 ее переиздание. Впоследствии трудами Чарльза по экономике вдохновлялся Джон Милль, а верность подхода Бэббиджа к разделению труда подмечал Карл Маркс.
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.
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.
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.
