Помоги проекту - поделись книгой:
Следующий логический шаг в совершенствовании вычислительных машин сделала весьма любопытная пара исследователей – программистка Ада Августа Кинг, в замужестве графиня Лавлейс, и чудак–изобретатель Чарлз Бэббидж, который всем заморочил голову безумным проектом какой–то «дифференциальной машины», якобы способной решать сложные математические уравнения.
Принципиальное устройство этого аппарата, обеспечивающего точность вычислений до восьмого знака после запятой, сын английского банкира, вдруг решивший заняться математикой, впервые описал в 1822 году, в возрасте 30 лет.
Более того, по своему описанию он смог построить довольно простой механизм – систему валиков и шестеренок, вращаемых с помощью рычага – для составления таблиц многочленов.
Убедившись, что машина Бэббиджа исправно работает, Адмиралтейство дало ему грандиозный заказ – разработать еще более совершенное устройство для расчета навигационных таблиц, которыми пользуются моряки.
По замыслу, машина, приводимая в действие паром, должна была занимать целую комнату и производить вычисления с точностью уже до 20–го знака! Однако за 10 лет Бэббидж смог построить лишь один из ее блоков, и на этом дело застопорилось. Во–первых, не хватало денег, а во–вторых, изобретатель увлекся идеей принципиально иной машины – «аналитической», способной выполнять по заказу любые счетные операции с какой угодно точностью.
К середине XIX века Бэббидж разработал и описал принцип центрального процессора («мельницу»), ввод программ («инструкций») с помощью перфорированных карт, блок памяти («склад»), печатающее устройство, роль которого должен был выполнять печатный пресс. Словом, единственное, чего не хватало паровому компьютеру, чтобы с полным правом называться прародителем современных ЭВМ, – так это возможности хранения команд (
Впрочем, скорость счета «аналитической машины» Бэббиджа вызывает сегодня улыбку: по идее, одна операция сложения занимала три секунды, а умножения или деления – 2–3 минуты. Впрочем, и это было чистой фантастикой для эпохи, когда самым быстрым средством передачи информации являлась скаковая лошадь с всадником.
Первая программистка
Бэббидж долго мучился со своим проектом; возможно, он так и забросил бы его, если бы не помощь удивительной женщины. Она была единственной дочерью поэта Байрона, увлекалась математикой и бескорыстно помогала (деньгами и расчетами) своему кумиру.
Судьба ее удивительна. Ее родители – Джордж Гордон Байрон и Аннабелла Милбэнк – расстались, когда девочке был всего месяц.
Отец больше не интересовался дочерью, зато мать и ее друзья всячески поддерживали интерес растущей Августы Ады к разным наукам и искусствам. В итоге к совершеннолетию она прекрасно играла на многих музыкальных инструментах, свободно владела несколькими иностранными языками и всерьез увлекалась математикой.
Семейная жизнь ее тоже сложилась счастливее, чем у родителей. Ее муж, граф Лавлейс с одобрением относился к научным занятиям жены и помогал ей, чем мог.
Ада же, познакомившаяся в доме матери с изобретателем Бэббиджем, всерьез заинтересовалась его работой и занялась математическим обоснованием его проекта. Говоря проще, она составила ряд первых программ, по которым должна была работать эта удивительная машина.
Однако ни она, ни сам Бэббидж так и не увидели в работе машину, способную, по словам Лавлейс, «ткать математические уравнения так же искусно, как жаккардовый станок – узоры из цветов и листьев». Леди вскоре заболела и 27 ноября 1852 года скончалась, не дожив несколько дней до своего 37–летия.
А изобретатель, оставшись без помощницы, так и не сумел довести свой замысел до логического завершения. В 1879 году правительственная комиссия решила, что нет решительно никаких возможностей достроить машину, поскольку к тому времени умер и сам Бэббидж. Но вот что интересно. В 1989–1991 годах группа энтузиастов из Лондонского музея науки построила–таки придуманный им аппарат. И он заработал, считая до 31–го знака после запятой!
В те же времена (1843 год) первую деревянную (!) модель «дифференциальной машины» построили шведы – отец и сын Шойтцы, наслышанные о работах Бэббиджа. Шведское правительство решило профинансировать их, и спустя десять лет после начала работы конструкция, созданная Шойтцами, успешно справлялась с уравнениями четвертого порядка.
Недолгое торжество реле
Сбылась мечта Бэббиджа?!
В 1937 году американский физик Говард Гатуэй Айкен начал работать в Гарвардском университете над своей диссертацией. Многие считали, что он поздновато занялся наукой – Айкену было уже около 40 лет, но исследователь вообще предпочитал идти нестандартным путем.
Закончив военно–техническую школу в Индианаполисе, Айкен поступил в Висконсинский университет, где в 1923 году получил степень бакалавра в области электротехники.
Но молодого инженера тянуло к «чистой науке» – математике и физике. И в 1931 году он снова стал студентом, на этот раз Чикагского университета. А в следующем году перешел в Гарвард, где и завершил свое научное образование.
Теоретическая часть диссертации Айкена требовала решения так называемых нелинейных дифференциальных уравнений. Чтобы сократить себе вычислительную работу, Айкен захотел придумать несложную машину для автоматического решения подобных уравнений. И в конце концов, пришел к идее автоматической универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг научно–технических задач.
Он показал свой проект руководству фирмы «ИБМ». Руководители согласились финансировать создание такого устройства и выделили в помощь Айкену четырех инженеров. Эта команда и построила за 5 лет «вычислительную машину с автоматическим управлением последовательностью операций» (АСКК), которую затем окрестили «Марк–1». В августе 1944 года она была закончена и передана Гарвардскому университету для испытаний.
Самое интересное, что человек, широтой своих интересов и образом мышления весьма напоминавший Чарлза Бэббиджа, с идеями великого англичанина познакомился случайно, спустя три года после начала работы над «Марком». И, пораженный предвидением Бэббиджа, воскликнул: «Живи он в наши дни, я остался бы безработным!»
В конструкции «Марка» использовались как механические элементы для представления чисел, так и электромеханические – для управления работой машины.
Управлялся «Марк» командами, вводимыми с помощью перфорированной ленты. Каждая команда кодировалась посредством пробивки отверстий в 24 колонках, идущих вдоль ленты, и считывалась с помощью контактных щеток. Все электрические сигналы, полученные в результате «прощупывания», определяли действие машины на данном шаге вычислений.
После завершения операции лента сдвигалась, и под контактные щетки попадал следующий ряд отверстий.
В качестве устройств вывода Айкен использовал пишущие машинки и перфораторы. «Марк–1» содержал все основные блоки аналитический машины: устройства ввода и вывода, устройство управления, память («склад») и арифметическое устройство («мельница»).
Машина выполняла операции сложения и вычитания за 0,3 секунды, умножение – за 5,7 секунды, деление – за 15,3 секунды. Таким образом, «Марк» заменял примерно 20 операторов, работающим с ручными счетными машинами.
Мечта Бэббиджа сбылась!
За «Марком» – «Марк»...
Запустив «Марк–1», гарвардская группа, превратившаяся к тому времени уже в вычислительную лабораторию университета во главе с тем же Айкеном, начала работу над проектом «Марк–2». В этой машине для запоминания чисел, выполнения арифметических операций и операций управления должны были использоваться электромеханические реле. Законченный в 1947 году «Марк–2» содержал около 13.000 реле и был, таким образом, чисто релейной вычислительной машиной.
Каждая десятичная цифра была представлена здесь в двоичной форме и хранилась в группе из четырех реле.
В двоичной системе счисления используются две цифры – 0 и 1, и любое число поэтому представляется как последовательность нулей и единиц. Например, число 53 в двоичной системе выглядит как 110101.
Широкое использование двоичной системы в вычислительной технике обусловлено существованием простых технических аналогов двоичной цифры – например, электромеханических реле, которые могут находиться в одном из двух устойчивых состояний. Скажем, когда контакты разомкнуты, пусть это будет соответствовать 0, а когда замкнуты – 1. В таком случае для представления одной десятичной цифры потребуется 4 двоичных разряда (скажем, цифра 9 выглядит как 1001).
Арифметические операции выполнялись в сумматоре, который в новой машине, в отличие от «Марк–1», был отделен от памяти. Время выполнения операций сложения и вычитания занимало примерно 0,125 секунды. Умножение выполнялось в отдельном устройстве и требовало в среднем 0,25 секунды, а операция деления была заменена операцией вычисления приближенных значений обратных величин.
А что придумали другие?
Обычно «Марк–1» считают первенцем среди электромеханических вычислительных машин. Но это не так. Еще в 1941 году немецкий инженер К. Цузе построил специализированную программно–управляемую релейную машину для решения задач строительной механики. Одна из ее модификаций – универсальная машина
Но Берлин уже бомбили, войска союзников неумолимо приближались к нему. И потому машину разобрали, тайно вывезли из осажденного города. И она в разобранном виде пролежала три года в каком–то хлеву, прежде чем была доставлена в Цюрихскую высшую техническую школу.
У Цузе нашелся конкурент в Америке. В 1937 году работу над релейной машиной, способной выполнять арифметические операции над комплексными числами, начал сотрудник фирмы «Белл» математик Джордж Штибитц. Его машина «Модель–1» была продемонстрирована в октябре 1940 года на заседании Американского математического общества. Причем комплексные числа вводились в машину Штибитца, находившуюся в Нью–Йорке, с помощью расположенного в зале заседания телетайпа; а результаты вычислений передавались из Нью–Йорка по телеграфному каналу и воспроизводились печатающим устройством.
Правда, «Модель–1» была специализированной вычислительной машиной и не имела устройства автоматического управления вычислениями. Это устройство появилось в «Модели–2». Машина имела объем памяти в 5 пятиразрядных десятичных чисел. Вслед за этой машиной, законченной в 1943 году, были построены еще две: «Модель–3» и «Модель–4».
«Модель–3», известная под названием «баллистической вычислительной машины», имела несколько больший объем памяти, содержала 1300 реле и заменяла 25–40 девушек, вычислявших с помощью настольных счетных машин баллистические таблицы. «Модель–4» отличалась от своей предшественницы тем, что могла вычислять еще и значения тригонометрических функций.
Успех малых релейных машин привел к созданию в 1944–1946 годах универсальной вычислительной машины «Модель–5». Машина содержала около 9 тыс. реле и имела в своем составе все блоки, предусмотренные «классической» (бэббиджевской) структурой.
Динозавры компьютерной эры
Сравнительно недавно обнаружился еще один американский «папа» вычислительных машин – Джон Винсент Атанасов, профессор физики и математики университета штата
Айова. Он независимо от Цузе вместе со своим студентом Клиффордом Берри в 1937–1939 годах построил прототип электронного цифрового компьютера
Однако этому помешала война: профессора призвали в армию, и работа была прервана на этапе отладки устройств ввода–вывода информации. А когда он вернулся, то узнал, что его опередили. Раздосадованный, он охладел к своей работе настолько, что даже не поинтересовался, каков же из себя аппарат Моучли и Эккерта, названный ими ЭНИАКом (речь о нем у нас еще впереди). А тот, между прочим, был весьма похож на его собственный. В свое время Джон Моучли встречался с Атанасовым и позаимствовал у
Ответ на вопрос «Кто был первым?» был дан лишь в 1973 году. В ходе специального разбирательства суд юридически закрепил за
При этом заодно выяснилось, еще в 40–х годах его создатель безуспешно пытался заинтересовать своими идеями ведущие фирмы по производству механических счетных машин. Однако всюду получал отказы. Интересно, что среди отказавших числится и руководство компании «ИБМ» – ныне одного из ведущих производителей компьютерной техники в мире...
Дело в том, что к тому времени руководство «ИВМ» окончательно склонилось к разработке альтернативного проекта – универсальной релейной цифровой машины, – который предложил Хоуард Эйкен, ничего не знавший о работах Атанасова. И в августе 1944 года электромеханический монстр Harvard Marc 1 («Гавард Марк–1»), состоявший из трех миллионов узлов и 500 миль проводов и обошедшийся примерно в миллион долларов, заступил на трудовую вахту в Гарвардском университете, где проработал более 15 лет.
Кстати, первые программы для машины Эйкена написала достойная продолжательница дела Ады Лавлейс – математик Грейс Марри Хоппер. Она – личность во многих отношениях легендарная: разработчик популярных машинных языков, президент нескольких ведущих компьютерных компаний и... контр–адмирал американских ВМС! Говорят даже, что героиня знаменитого научно–фантастического цикла Айзека Азимова о роботах – робо–психолог Сьюзен Кельвин – «списана» с Грейс Хоппер.
Российский первенец
Работали над созданием подобных машин и в нашей стране. Одной из наиболее совершенных чисто релейных вычислительных машин была «РВМ–1», сконструированная и построенная под руководством советского инженера Н. И. Бессонова в середине 50–х годов XX века. Она работала в двоичной системе и отличалась неплохим для того времени быстродействием. Благодаря применению каскадного принципа выполнения арифметических операций, изобретенного самим же Бессоновым, она выполняла до 1250 умножений в минуту, то есть свыше 20 в секунду.
Поделиться книгой: