Как известно, первые компьютеры были специально созданы для выполнения всевозможных вычислений.

Обновлено: 04.07.2024

Ни энциклопедия, ни Google не могут ответить на такие простые вопросы, как этот: кто изобрел первый компьютер? Если мы начнем копать глубже, то вскоре найдем много разных ответов, и большинство из них правильные. Поиск ответа приглашает нас вернуться к истории вычислительной техники, встретиться с ее пионерами и обнаружить, что до сих пор не совсем ясно, что такое компьютер.

Чарльз Бэббидж и механический компьютер

До Бэббиджа компьютеры были людьми. Так называли людей, специализирующихся на численных вычислениях, — тех, кто проводил долгие часы, выполняя арифметические операции, повторяя процессы снова и снова и оставляя результаты своих вычислений в виде таблиц, которые были собраны в ценных книгах. Эти таблицы значительно облегчили жизнь другим специалистам, чья работа заключалась в том, чтобы использовать эти результаты для решения всевозможных задач: от артиллерийских офицеров, решивших, как наводить пушки, до сборщиков налогов, рассчитывавших налоги, до ученых, предсказывающих приливы или движение звезд на небе.

Таким образом, в конце XVII века Наполеон поручил Гаспару де Прони (22 июля 1755 – 29 июля 1839 года) революционную задачу по созданию самых точных логарифмических и тригонометрических таблиц (с числом знаков после запятой от 14 до 29). сделано, чтобы уточнить и облегчить астрономические расчеты Парижской обсерватории и иметь возможность унифицировать все измерения, сделанные французской администрацией. Для этой колоссальной задачи де Прони пришла в голову блестящая идея разделить самые сложные вычисления на более простые математические операции, которые могли бы выполняться менее квалифицированными человеческими компьютерами. Этот способ ускорить работу и избежать ошибок был одной из вещей, которые вдохновили английского эрудита Чарльза Бэббиджа (26 декабря 1791 - 18 октября 1871) сделать следующий шаг: заменить человеческие компьютеры машинами.

Многие считают Бэббиджа отцом вычислительной техники из-за этого видения, которое так и не сбылось благодаря его усилиям. Его первой попыткой была разностная машина, которую он начал строить в 1822 году, основываясь на принципе конечных разностей, для выполнения сложных математических вычислений посредством простой серии сложений и вычитаний, избегая умножения и деления. Он даже создал небольшой калькулятор, который доказал, что его метод работает, но он не смог построить дифференциальную машину, чтобы заполнить эти желанные логарифмические и тригонометрические таблицы точными данными. Леди Байрон, мать Ады Лавлейс, утверждала, что видела действующий прототип в 1833 году, хотя и ограниченный как по сложности, так и по точности, но к тому времени Бэббидж уже исчерпал финансирование, предоставленное британским правительством.

Реплика, созданная Лондонским музеем науки на основе чертежей разностной машины № 2 Чарльза Бэббиджа. Фото: Музей науки

Далеко не обескураженный этой неудачей, математик, философ, инженер и изобретатель Чарльз Бэббидж удвоил усилия. Он сосредоточил всю свою энергию на разработке аналитической машины, которая была гораздо более амбициозной, поскольку могла выполнять еще более сложные вычисления путем вычисления операций умножения и деления. Опять же, Бэббидж так и не прошел стадию проектирования, но именно те проекты, которые он начал в 1837 году, сделали его, возможно, не отцом вычислительной техники, но определенно пророком того, что должно было произойти.

Тысячи страниц аннотаций и набросков Бэббиджа об аналитической машине содержали компоненты и процессы, которые являются общими для любого современного компьютера: логическое устройство для выполнения арифметических вычислений (эквивалент процессора или центрального процессора), управляющая структура с инструкциями, циклы и условное ветвление (как язык программирования), а также хранение данных на перфокартах (ранняя версия памяти) — идея, которую он позаимствовал у машины Жаккарда. Бэббидж даже думал записывать результаты вычислений на бумагу, используя устройство вывода, которое было предшественником современных принтеров.

Братья Томсон и аналоговые компьютеры

В 1872 году, через год после смерти Чарльза Бэббиджа, великий физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) изобрел машину, способную выполнять сложные вычисления и предсказывать приливы и отливы в заданном месте. Он считается первым аналоговым компьютером, разделив почести с дифференциальным анализатором, созданным в 1876 году его братом Джеймсом Томсоном. Последнее устройство было более продвинутой и полной версией, позволявшей решать дифференциальные уравнения путем интегрирования с использованием колесных и дисковых механизмов.

Деталь гармонического анализатора лорда Кельвина, используемого для математического предсказания приливов и отливов. Предоставлено: Музей науки

Однако понадобилось еще несколько десятилетий, пока в середине 20 века Х. Л. Хейзен и Ванневар Буш усовершенствовали идею механического аналогового компьютера в Массачусетском технологическом институте. Между 1928 и 1931 годами они построили дифференциальный анализатор, который был действительно практичным, поскольку его можно было использовать для решения различных задач, и поэтому, следуя этому критерию, его можно было считать первым компьютером.

Тьюринг и универсальная вычислительная машина

К этому моменту эти аналоговые машины уже могли заменить человеческие компьютеры в некоторых задачах и считать все быстрее и быстрее, особенно когда их механизмы начали заменяться электронными компонентами. Но у них все же был один серьезный недостаток. Они были разработаны для выполнения одного типа расчетов, и если они должны были использоваться для другого, их шестерни или цепи должны были быть заменены.

Так было до 1936 года, когда молодой английский студент Алан Тьюринг придумал компьютер, способный решать любую задачу, которую можно было бы перевести в математические термины и затем свести к цепочке логических операций с двоичными числами, в которых можно было принять только два решения: истинно или ложно. Идея заключалась в том, чтобы свести все (цифры, буквы, картинки, звуки) к цепочкам единиц и нулей и использовать рецепт (программу) для решения задач очень простыми шагами. Цифровой компьютер родился, но пока это была только воображаемая машина.

Вакуумные трубки и разъемы от компьютера Pilot ACE, разработанного Аланом Тьюрингом. Предоставлено: Музей науки

Аналитическая машина Бэббиджа, вероятно, соответствовала бы (почти столетием раньше) условиям универсальной машины Тьюринга… если бы она когда-либо была построена. В конце Второй мировой войны, во время которой он помог расшифровать код Enigma нацистских закодированных сообщений, Тьюринг создал один из первых компьютеров, подобных современным, Автоматическую вычислительную машину, которая в помимо того, что он был цифровым, его можно было программировать; другими словами, его можно использовать для многих целей, просто изменив программу.

Цузе и цифровой компьютер

Хотя Тьюринг установил, как должен выглядеть компьютер в теории, он не был первым, кто применил это на практике. Эта честь достается инженеру, который не сразу получил признание, отчасти потому, что его работа финансировалась нацистским режимом в разгар мировой войны. 12 мая 1941 года Конрад Цузе закончил Z3 в Берлине, который был первым полностью функциональным (программируемым и автоматическим) цифровым компьютером. Как позже сделали бы пионеры Кремниевой долины, Цузе успешно построил Z3 в своей домашней мастерской, сумев сделать это без электронных компонентов, но с использованием телефонных реле. Таким образом, первый цифровой компьютер был электромеханическим, и он не был преобразован в электронную версию, потому что правительство Германии исключило его финансирование, так как он не считался «стратегически важным» в военное время.

На другой стороне войны союзные державы придавали большое значение созданию электронных компьютеров с использованием тысяч электронных ламп. Первым был ABC (Компьютер Атанасова-Берри), созданный в 1942 году в Соединенных Штатах Джоном Винсентом Атанасоффом и Клиффордом Э. Берри, который, однако, не был ни программируемым, ни «полным по Тьюрингу». Тем временем в Великобритании двое коллег Алана Тьюринга — Томми Флауэрс и Макс Ньюман, которые также работали в Блетчли-парке над расшифровкой нацистских кодов, — создали «Колосс», первый электронный, цифровой и программируемый компьютер. Но в «Колоссе», как и в ABC, отсутствовала последняя деталь: он не был «полным по Тьюрингу».

Рабочая копия Z3 Цузе, первого полностью программируемого и автоматического компьютера. Предоставлено: Немецкий музей

Первым компьютером, который был завершен по Тьюрингу и обладал четырьмя основными характеристиками наших нынешних компьютеров, был ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер), тайно разработанный армией США и впервые запущенный в работу в Пенсильванском университете. 10 декабря 1945 г. с целью изучения возможности создания водородной бомбы. Для выполнения других расчетов пришлось изменить его «программу», то есть вручную переставить множество кабелей и переключателей.ENIAC, разработанный Джоном Мочли и Дж. Преспером Эккертом, занимал площадь 167 м2, весил 30 тонн, потреблял 150 киловатт электроэнергии и содержал около 20 000 электронных ламп.

ENIAC вскоре превзошел другие компьютеры, которые хранили свои программы в электронной памяти. Вакуумные лампы были заменены сначала транзисторами, а затем и микрочипами, с которых началась гонка миниатюризации компьютеров. Но эта гигантская машина, построенная великим победителем Второй мировой войны, положила начало нашему цифровому веку. В наши дни его единодушно считали бы первым настоящим компьютером в истории, если бы не Конрад Цузе (1910–1995), решивший в 1961 году реконструировать свой Z3, разрушенный бомбежкой в 1943 году. Немецкий музей в Мюнхене, где он находится сегодня. Прошло несколько десятилетий, пока в 1998 году мексиканский ученый-компьютерщик Рауль Рохас не предпринял попытку подробно изучить Z3 и сумел доказать, что он может быть «полным по Тьюрингу», что даже его тогдашний покойный создатель не рассматривал. .

Сосредоточившись на том, чтобы все заработало, Цузе так и не узнал, что в его руках находится первая универсальная вычислительная машина. На самом деле, он никогда не заставлял свое изобретение работать таким образом… Итак, Чарльз Бэббидж, Конрад Цузе или Алан Тьюринг изобретатель компьютера? Был ли Z3, Colossus или ENIAC первым современным компьютером? Это зависит. Вопрос остается сегодня таким же открытым, как и этот: что делает машину компьютером?

Ко второму десятилетию XIX века в воздухе витало несколько идей, необходимых для изобретения компьютера. Во-первых, потенциальные выгоды для науки и промышленности от возможности автоматизировать рутинные вычисления были оценены так, как не были оценены столетием ранее. Были изобретены специальные методы, позволяющие сделать автоматические вычисления более практичными, такие как умножение путем сложения логарифмов или повторным сложением, и опыт работы как с аналоговыми, так и с цифровыми устройствами показал некоторые преимущества каждого подхода. Ткацкий станок Жаккарда (как описано в предыдущем разделе «Предшественники компьютеров») продемонстрировал преимущества управления многоцелевым устройством с помощью закодированных инструкций и продемонстрировал, как можно использовать перфокарты для быстрой и гибкой модификации этих инструкций. Именно математический гений в Англии начал складывать все эти кусочки воедино.

Машина различий

Чарльз Бэббидж был английским математиком и изобретателем: он изобрел скотолов, реформировал британскую почтовую систему и был пионером в области исследования операций и актуарной науки. Именно Бэббидж первым предположил, что погоду прошлых лет можно узнать по годичным кольцам деревьев. Он также всю жизнь увлекался ключами, шифрами и механическими куклами.

Завершенная часть разностной машины Чарльза Бэббиджа, 1832 г. Этот усовершенствованный калькулятор предназначался для создания таблиц логарифмов, используемых в навигации. Значение чисел было представлено положениями зубчатых колес, отмеченными десятичными числами.

Как один из основателей Королевского астрономического общества, Бэббидж видел явную потребность в разработке и создании механического устройства, которое могло бы автоматизировать долгие и утомительные астрономические вычисления. Он начал с письма в 1822 году сэру Хамфри Дэви, президенту Королевского общества, о возможности автоматизации построения математических таблиц, в частности, таблиц логарифмов для использования в навигации. Затем он написал статью «О теоретических принципах машин для вычисления таблиц», которую он прочитал обществу позже в том же году. (Он получил первую золотую медаль Королевского общества в 1823 году.) Используемые в то время таблицы часто содержали ошибки, которые могли быть вопросом жизни и смерти для моряков в море, и Бэббидж утверждал, что, автоматизировав производство таблиц, он могли убедиться в их точности. Заручившись поддержкой в обществе своей «Разностной машины», как он ее называл, Бэббидж затем обратился к британскому правительству с просьбой о финансировании разработки, получив один из первых в мире государственных грантов на исследования и технологические разработки.

Бэббидж очень серьезно подошел к проекту: он нанял мастера-механика, устроил пожаробезопасную мастерскую и соорудил пыленепроницаемую среду для тестирования устройства. До этого расчеты редко проводились более чем с 6 цифрами; Бэббидж планировал регулярно получать 20- или 30-значные результаты. Разностная машина была цифровым устройством: она работала с дискретными цифрами, а не с гладкими величинами, а цифры были десятичными (0–9), представленными позициями на зубчатых колесах, а не двоичными цифрами, которые предпочитал (но не использовал) Лейбниц. .Когда одно из зубчатых колес поворачивалось от 9 до 0, это заставляло следующее колесо продвигаться на одну позицию, перенося цифру точно так же, как работал калькулятор Лейбница Step Reckoner.

Однако разностная машина представляла собой нечто большее, чем простой калькулятор. Он механизировал не просто один расчет, а целую серию расчетов с рядом переменных для решения сложной задачи. Он вышел далеко за рамки калькуляторов и в других отношениях. Как и современные компьютеры, разностная машина имела хранилище, то есть место, где данные могли временно храниться для последующей обработки, и была разработана для штамповки выходных данных в мягкий металл, который впоследствии можно было использовать для изготовления печатной формы.

Тем не менее, разностная машина выполнила только одну операцию. Оператор настраивал все свои регистры данных с исходными данными, а затем одна операция многократно применялась ко всем регистрам, что в конечном итоге приводило к решению. Тем не менее, по сложности и дерзости конструкции он затмил любое существовавшее тогда вычислительное устройство.

Полный движок размером с комнату никогда не создавался, по крайней мере, Бэббиджем. Хотя время от времени он получал несколько правительственных грантов — правительства менялись, финансирование часто заканчивалось, и ему приходилось лично нести часть финансовых расходов, — он работал в пределах допусков современных методов строительства и столкнулся с многочисленными трудностями при строительстве. трудности. Все проектирование и строительство прекратились в 1833 году, когда Джозеф Клемент, механик, ответственный за фактическое создание машины, отказался продолжать работу, если ему не внесли предоплату. (Завершенная часть разностной машины находится в постоянной экспозиции Музея науки в Лондоне.)

Аналитическая машина

Работая над разностной машиной, Бэббидж начал придумывать способы ее улучшения. В основном он думал об обобщении его работы, чтобы он мог выполнять другие виды вычислений. К тому времени, когда в 1833 году финансирование закончилось, он задумал нечто гораздо более революционное: вычислительную машину общего назначения под названием «Аналитическая машина».

Часть (завершена в 1910 г.) аналитической машины Чарльза Бэббиджа. Лишь частично построенная на момент его смерти в 1871 году, эта часть содержит «мельницу» (функционально аналогичную центральному процессору современного компьютера) и печатающий механизм.

Аналитическая машина должна была представлять собой полностью программно-управляемый автоматический механический цифровой компьютер общего назначения. Он сможет выполнять любые вычисления, установленные перед ним. До Бэббиджа не было никаких свидетельств того, что кто-либо когда-либо задумывал такое устройство, не говоря уже о попытках его построить. Машина была спроектирована так, чтобы состоять из четырех компонентов: мельницы, магазина, считывателя и принтера. Эти компоненты сегодня являются основными компонентами каждого компьютера. Мельница была вычислительной единицей, аналогичной центральному процессору (ЦП) в современном компьютере; хранилище было местом, где данные хранились перед обработкой, в точности аналогично памяти и памяти в современных компьютерах; а устройство чтения и принтер были устройствами ввода и вывода.

Как и в случае с Difference Engine, этот проект был намного сложнее, чем все, что было создано ранее. Магазин должен был быть достаточно большим, чтобы вместить 1000 50-значных номеров; это было больше, чем емкость любого компьютера, построенного до 1960 года. Машина должна была приводиться в движение паром и управляться одним помощником. Возможности печати также были амбициозными, как и для разностной машины: Бэббидж хотел максимально автоматизировать процесс, вплоть до печати таблиц чисел.

Еще одной новой функцией Analytical Engine стал модуль чтения. Данные (числа) должны были быть введены на перфокартах с использованием технологии чтения карт жаккардового ткацкого станка. Инструкции также должны были быть введены на карточках - еще одна идея, взятая непосредственно у Жаккара. Использование карточек с инструкциями сделало бы его программируемым устройством и гораздо более гибким, чем любая машина, существовавшая в то время. Еще одним элементом программируемости должна была быть его способность выполнять инструкции не в последовательном порядке. Он должен был иметь своего рода способность принимать решения при условной передаче управления, также известной как условное ветвление, благодаря чему он мог бы перейти к другой инструкции в зависимости от значения некоторых данных. Эта чрезвычайно мощная функция отсутствовала во многих первых компьютерах 20 века.

По большинству определений аналитическая машина была настоящим компьютером в том виде, в каком она понимается сегодня, или могла бы быть, если бы Бэббидж снова не столкнулся с проблемами реализации.На самом деле создание его амбициозного проекта было сочтено неосуществимым, учитывая современные технологии, и неспособность Бэббиджа сгенерировать обещанные математические таблицы с помощью своей разностной машины ослабила энтузиазм по поводу дальнейшего государственного финансирования. Действительно, британскому правительству было очевидно, что Бэббидж больше интересовался инновациями, чем составлением таблиц.

Тем не менее, аналитическая машина Бэббиджа была чем-то новым на свете. Его самой революционной особенностью была возможность изменить его работу, изменив инструкции на перфокартах. До этого прорыва все механические вспомогательные средства для вычислений были просто калькуляторами или, как разностная машина, прославленными калькуляторами. Аналитическая машина, хотя и не завершенная, была первой машиной, заслужившей право называться компьютером.

Леди Лавлейс, первый программист

Различие между калькулятором и компьютером, хотя и ясное для Бэббиджа, не было очевидным для большинства людей в начале 19 века, даже для интеллектуально предприимчивых посетителей вечеров Бэббиджа, за исключением молодой девушки необычного происхождения и образования.

Компьютер с обманчивой простотой можно описать как «устройство, автоматически выполняющее рутинные вычисления». Такое определение обязано своей обманчивостью наивному и узкому взгляду на расчет как на строго математический процесс. На самом деле вычисления лежат в основе многих действий, которые обычно не считаются математическими. Ходьба по комнате, например, требует многих сложных, хотя и подсознательных вычислений. Компьютеры также доказали свою способность решать широкий спектр задач, от балансировки чековой книжки до даже — в виде систем управления для роботов — передвижения по комнате.

Поэтому, прежде чем можно было реализовать истинную мощь вычислений, необходимо было преодолеть наивный взгляд на вычисления. Изобретатели, трудившиеся над созданием компьютера, должны были понять, что вещь, которую они изобретали, была не просто машиной для обработки чисел, не просто калькулятором. Например, они должны были узнать, что нет необходимости изобретать новый компьютер для каждого нового расчета и что компьютер может быть разработан для решения множества задач, даже таких, которые еще не представлялись, когда компьютер был построен. Они также должны были научиться сообщать такому универсальному компьютеру, решающему задачи, какую задачу решать. Другими словами, им пришлось изобрести программирование.

Они должны были решить все головокружительные проблемы разработки такого устройства, реализации дизайна и фактического создания устройства. История решения этих задач есть история ЭВМ. Эта история описана в этом разделе, и даны ссылки на записи о многих упомянутых лицах и компаниях. Кроме того, см. статьи о компьютерных науках и суперкомпьютерах.

Ранняя история

Предшественники компьютеров

Счеты

Возможно, самым ранним известным счетным устройством являются счеты. Он восходит как минимум к 1100 г. до н.э. и используется до сих пор, особенно в Азии. Сейчас, как и тогда, он обычно представляет собой прямоугольную рамку с тонкими параллельными стержнями, нанизанными на бусины. Задолго до того, как для записи чисел была принята какая-либо систематическая позиционная запись, счеты присваивали каждому стержню разные единицы измерения или веса. Эта схема позволяла представлять широкий диапазон чисел всего несколькими бусинами и, вместе с изобретением нуля в Индии, возможно, вдохновила на изобретение индийско-арабской системы счисления. В любом случае с помощью счетов можно легко манипулировать для выполнения обычных арифметических операций — сложения, вычитания, умножения и деления, — которые полезны в коммерческих операциях и в бухгалтерии.

Счеты — это цифровое устройство; то есть он представляет значения дискретно. Бусинка находится либо в одном предопределенном положении, либо в другом, однозначно представляя, скажем, единицу или ноль.

Аналоговые калькуляторы: от логарифмов Непера к логарифмической линейке

Вычислительные устройства приняли другой оборот, когда Джон Нейпир, шотландский математик, опубликовал свое открытие логарифмов в 1614 году. Любой человек может подтвердить, что сложение двух десятизначных чисел намного проще, чем их умножение, а преобразование задача умножения в задачу сложения — это именно то, что позволяют логарифмы. Это упрощение возможно благодаря следующему логарифмическому свойству: логарифм произведения двух чисел равен сумме логарифмов чисел. К 1624 году были доступны таблицы с 14 значащими цифрами для логарифмов чисел от 1 до 20 000, и ученые быстро освоили новый инструмент, позволяющий экономить труд и выполнять утомительные астрономические расчеты.

Что наиболее важно для развития вычислительной техники, преобразование умножения в сложение значительно упростило возможности механизации.Вскоре появились аналоговые вычислительные устройства, основанные на логарифмах Непера, представляющих цифровые значения с аналогичными физическими длинами. В 1620 году Эдмунд Гюнтер, английский математик, придумавший термины косинус и котангенс, построил прибор для выполнения навигационных вычислений: шкалу Гюнтера, или, как ее называли мореплаватели, гантер. Около 1632 года английский священник и математик по имени Уильям Отред построил первую логарифмическую линейку, опираясь на идеи Непера. Эта первая логарифмическая линейка была круглой, но Отред также построил первую прямоугольную линейку в 1633 году. Аналоговые устройства Гюнтера и Отреда имели различные преимущества и недостатки по сравнению с цифровыми устройствами, такими как счеты. Важно то, что последствия этих дизайнерских решений проверялись в реальном мире.

Цифровые калькуляторы: от часов-счетчиков до арифмометра

В 1623 году немецкий астроном и математик Вильгельм Шикард построил первый калькулятор. Он описал это в письме своему другу, астроному Иоганну Кеплеру, а в 1624 году он снова написал, чтобы объяснить, что машина, которую он заказал для Кеплера, была, по-видимому, вместе с прототипом, уничтожена в огне. Он назвал это Счетными часами, что современные инженеры смогли воспроизвести по деталям в его письмах. Даже общее представление о часах было временно утрачено, когда Шикард и вся его семья погибли во время Тридцатилетней войны.

Репродукция счетных часов Вильгельма Шикарда. Устройство могло складывать и вычитать шестизначные числа (с звонком для семизначных переполнений) с помощью шести взаимосвязанных шестерен, каждая из которых поворачивалась на одну десятую оборота за каждый полный оборот шестерни вправо. Таким образом, 10 оборотов любой шестерни вызовут «перенос» одной цифры на следующей передаче и изменят соответствующий дисплей.

Но, возможно, Шикард не был истинным изобретателем калькулятора. Столетием ранее Леонардо да Винчи набросал планы калькулятора, которые были достаточно полными и правильными, чтобы современные инженеры могли построить на их основе калькулятор.

Первым калькулятором или арифмометром, произведенным в любом количестве и фактически использовавшимся, была Паскалина, или арифметическая машина, разработанная и построенная французским математиком и философом Блезом Паскалем между 1642 и 1644 годами. Она могла только складывать и вычитать, с числами, вводящимися, манипулируя его циферблатами. Паскаль изобрел машину для своего отца, сборщика налогов, так что это была и первая бизнес-машина (если не считать счеты). Он построил 50 из них в течение следующих 10 лет.

Арифметическая машина, или Паскалин, французский денежный (недесятичный) калькулятор, разработанный Блезом Паскалем c. 1642. Числа можно было складывать, поворачивая колеса (расположенные вдоль нижней части машины) по часовой стрелке, и вычитать, поворачивая колеса против часовой стрелки. Каждая цифра в ответе отображалась в отдельном окошке, видимом вверху фотографии.

В 1671 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм фон Лейбниц сконструировал вычислительную машину, названную счетчиком шагов. (Впервые он был построен в 1673 году.) Счетчик шагов расширил идеи Паскаля и выполнял умножение путем многократного сложения и сдвига.

Репродукция картины Готфрида Вильгельма фон Лейбница «Счетчик шагов» с оригинала, хранящегося в музее Тринкса Брунсвига в Ганновере, Германия. Поворот рукоятки (слева) приводил во вращение несколько барабанов, каждый из которых вращал шестерню, соединенную с цифровым счетчиком.

Лейбниц был активным сторонником двоичной системы счисления. Двоичные числа идеально подходят для машин, поскольку для них требуется всего две цифры, которые можно легко представить включенным и выключенным состояниями переключателя. Когда компьютеры стали электронными, двоичная система стала особенно подходящей, потому что электрическая цепь либо включена, либо выключена. Это означало, что on может означать true, off — false, а поток current — напрямую представлять поток логики.

Лейбниц предвидел целесообразность использования двоичной системы в вычислительных машинах, но его машина не использовала ее. Вместо этого счетчик шагов представлял числа в десятичной форме в виде позиций на 10-позиционных циферблатах.Даже десятичное представление не было данностью: в 1668 году Сэмюэл Морланд изобрел арифмометр, предназначенный для британских денег, — явно недесятичная система.

Устройства Паскаля, Лейбница и Морланда были редкостью, но с промышленной революцией 18 века возникла широко распространенная потребность в эффективном выполнении повторяющихся операций. Если другие виды деятельности механизированы, то почему не расчет? В 1820 году Шарль Ксавье Тома де Кольмар из Франции успешно справился с этой задачей, когда построил свой арифмометр, первое коммерческое вычислительное устройство массового производства. Он мог выполнять сложение, вычитание, умножение и, при более сложном участии пользователя, деление. Основанный на технологии Лейбница, он был чрезвычайно популярен и продавался в течение 90 лет. В отличие от современного калькулятора размером с кредитную карту, арифмометр был достаточно большим, чтобы покрыть рабочий стол.

Жаккардовый станок

Калькуляторы, такие как арифмометр, оставались популярными и после 1820 года, и их потенциал для коммерческого использования был хорошо изучен. Многие другие механические устройства, построенные в 19 веке, также выполняли повторяющиеся функции более или менее автоматически, но лишь немногие из них имели какое-либо применение в вычислительной технике. Было одно важное исключение: жаккардовый ткацкий станок, изобретенный в 1804–1805 годах французским ткачом Жозефом-Мари Жаккаром.

Жаккардовый ткацкий станок был чудом промышленной революции. Текстильный ткацкий станок, его также можно назвать первым практическим устройством обработки информации. Ткацкий станок работал, вытягивая разноцветные нити в узоры с помощью набора стержней. Вставив перфорированную карту, оператор мог управлять движением стержней и тем самым изменять рисунок плетения. Кроме того, ткацкий станок был оборудован устройством для считывания карт, которое вставляло новую карту из предварительно перфорированной колоды на место каждый раз, когда бросали челнок, что позволяло автоматизировать сложные узоры ткачества.

Жаккардовый ткацкий станок, гравюра, 1874 г. В верхней части станка находится стопка перфокарт, которые будут подаваться в ткацкий станок для контроля рисунка ткачества. Этот метод автоматического выдачи машинных инструкций использовался компьютерами еще в 20 веке.

Необычным в этом устройстве было то, что оно перенесло процесс проектирования с этапа трудоемкого ткачества на этап штамповки карт. После того, как карты были перфорированы и собраны, дизайн был готов, и ткацкий станок автоматически реализовал дизайн. Таким образом, можно сказать, что жаккардовый ткацкий станок запрограммирован на различные узоры с помощью этих колод перфокарт.

Тем, кто хочет механизировать вычисления, ткацкий станок Жаккарда дал важные уроки: последовательность операций, выполняемых машиной, можно контролировать, чтобы заставить машину делать что-то совершенно другое; перфокарта могла использоваться как средство управления машиной; и, что наиболее важно, устройство можно было направить на выполнение различных задач, передавая ему инструкции на своего рода языке, т. е. делая машину программируемой.

Не будет большим преувеличением сказать, что на жаккардовом станке программирование было изобретено раньше, чем компьютер. Тесная связь между устройством и программой стала очевидной спустя 20 лет, когда Чарльз Бэббидж изобрел первый компьютер.

Университет штата Айова предоставляет финансирование в качестве члена The Conversation US.

Каким был первый компьютер? – Эмили, 9 лет, Бруклин, Массачусетс

Первый современный электронный цифровой компьютер назывался компьютером Атанасова-Берри, или ABC.

Он был построен профессором физики Джоном Винсентом Атанасовым и его аспирантом Клиффордом Берри в 1942 году в Колледже штата Айова, ныне известном как Университет штата Айова.

Здесь я преподаю компьютерную инженерию уже более 30 лет, а также собираю старые компьютеры. Я встретил Атанасова, когда он посетил штат Айова и получил подписанный экземпляр своей книги.

До ABC существовали механические вычислительные устройства, которые могли выполнять простые вычисления. Первый механический компьютер, The Babbage Difference Engine, был разработан Чарльзом Бэббиджем в 1822 году. ABC стал основой современного компьютера, которым мы все пользуемся сегодня.

Барабаны ABC. Предоставлено специальными коллекциями библиотеки штата Айова и университетскими архивами, CC BY-ND

ABC весил более 700 фунтов и использовал вакуумные трубки. У него был вращающийся барабан, немного больше банки с краской, на котором были маленькие конденсаторы. Конденсатор — это устройство, которое может накапливать электрический заряд, как батарея.

ABC был разработан для решения задач с 29 различными переменными. Возможно, вы знакомы с уравнениями с одной переменной, например, 2y = 14. Теперь представьте себе 29 различных переменных. Это распространенные проблемы в физике и других науках, но их сложно и долго решать вручную.

Атанасову приписывают несколько прорывных идей, которые все еще присутствуют в современных компьютерах. Самая важная идея заключалась в использовании двоичных цифр, только единиц и нулей, для представления всех чисел и данных. Это позволило проводить расчеты с использованием электроники.

Еще одна идея заключалась в разделении программы (компьютерных инструкций) и памяти (мест для хранения чисел).

ABC выполнял одну операцию примерно каждые 15 секунд. По сравнению с миллионами операций в секунду современного компьютера это, вероятно, кажется очень медленным.

В отличие от современных компьютеров, у ABC не было изменяемой хранимой программы. Это означало, что программа была исправлена и предназначена для выполнения одной задачи. Это также означало, что для решения этих проблем оператор должен был записать промежуточный ответ, а затем передать его обратно в ABC. Атанасов покинул штат Айова до того, как усовершенствовал метод хранения, который избавил бы оператора от необходимости повторно вводить промежуточные результаты.

Часть азбуки. Предоставлено специальными коллекциями библиотеки штата Айова и университетскими архивами, CC BY-ND

Вскоре после того, как Атанасов покинул штат Айова, ABC был демонтирован. Атанасов так и не подал патент на свое изобретение. Это означает, что долгое время многие люди не знали об азбуке.

В 1947 году создатели электронного числового интегратора и компьютера, или ENIAC, подали заявку на патент. Это позволило им заявить, что они изобретатели цифрового компьютера. В течение нескольких десятилетий большинство людей считало ENIAC первым современным компьютером.

Но один из изобретателей ENIAC посетил Атанасова в 1941 году. Позже суды постановили, что этот визит повлиял на конструкцию ENIAC. Патент ENIAC был отклонен судьей в 1973 году.

Владельцы патента ENIAC утверждали, что азбука никогда не работала. Поскольку все, что осталось, — это один из блоков памяти ударных, доказать обратное было сложно.

В 1997 году группа преподавателей, исследователей и студентов Университета штата Айова завершила создание копии ABC. Они смогли продемонстрировать, что ABC действительно функционировала. Сегодня вы можете увидеть копию в Музее компьютерной истории в Маунтин-Вью, Калифорния.

Гай Биллаут

Школьникам Филадельфии внушают имена выдающихся граждан. Уильям Пенн. Бенджамин Франклин. Бетси Росс. Но в течение всех лет бэби-бумеров, когда я посещал школы в Городе братской любви, ни один из моих учителей не упоминал Дж. Преспера Эккерта-младшего. прозвище — я писал его каждый месяц на чеке за аренду однокомнатной квартиры в районе Джермантаун города. Только когда несколько лет спустя я стал писать о технологиях, я понял, что мой арендодатель изобрел компьютер.

В начале 1940-х годов Джон Преспер «Прес» Эккерт-младший был аспирантом Инженерной школы Мура (при Пенсильванском университете). Профессор Джон У. Мочли распространил несколько заметок о том, как мощный электронный калькулятор нового типа может принести пользу военным усилиям в таких областях, как установка траекторий боеприпасов. Когда армейская лаборатория артиллерийско-баллистических исследований одобрила проект, Эккерт стал движущей силой того, что эксперты теперь считают первым в мире цифровым компьютером общего назначения. Как резюмировал Герман Голдстайн, современник-новатор, «вклад Эккерта. превосходил все остальные. Как главный инженер он был главной пружиной всего механизма».

В то время в воздухе витала идея огромных вычислительных машин. В конце 1939 года профессор Гарварда Говард Эйкен создавал гигантский калькулятор Mark 1. В Блетчли-парке в Англии криптографы будут наблюдать за созданием специальной машины для взлома кодов под названием Colossus. В 1941 году сам Мокли обсуждал эту область с профессором штата Айова по имени Джон В. Атанасов, у которого были планы построить свою собственную огромную вычислительную машину (но так и не выполнил задачу). Что отличало Eniac от других, так это то, что работающая машина, выполняющая тысячи вычислений в секунду, могла быть легко перепрограммирована для различных задач. Это было захватывающее дух предприятие.Первоначальная смета расходов в размере 150 000 долларов вырастет до 400 000 долларов. U-образная конструкция весом 30 тонн заполнила комнату площадью 1500 квадратных футов. Его 40 шкафов высотой девять футов каждый были заполнены 18 000 вакуумных ламп, 10 000 конденсаторов, 6 000 переключателей и 1 500 реле. Глядя на консоли, наблюдатели могли видеть клубок патч-кордов, который напоминал им телефонную станцию.

Но к тому времени, когда Eniac был завершен, война уже закончилась. Машина не запускалась до ноября 1945 года, когда 300 неоновых ламп, прикрепленных к аккумуляторам, осветили подвальную комнату в школе Мура. Два 20-сильных вентилятора выдували прохладный воздух, чтобы Eniac не расплавился.

14 февраля 1946 года правительство освободило Eniac от покрова секретности. «О новой машине, которая, как ожидается, произведет революцию в инженерной математике и изменит многие из наших методов промышленного проектирования, сегодня объявило военное министерство», — говорится в армейском пресс-релизе. В нем описывался «математический робот», работающий с «феноменальной» скоростью, который «освобождает научную мысль от рутинной длительной вычислительной работы».

Последующие годы не были добры к изобретателям. Мочли и Эккерт основали первую коммерческую компьютерную корпорацию, построив преемника Eniac. Но их фирма столкнулась с трудностями, и пара продала компанию Sperry Rand. Хуже того, конкурирующая компания Honeywell процитировала работу Джона Атанасова в попытке аннулировать патент Eniac. Хотя так и не законченный компьютер Айована не был машиной общего назначения и ему не хватало многих новаторских атрибутов Eniac (таких как «часы», которые регулировали время вычислительных событий), Honeywell начала судебную тяжбу, в результате которой судья признал Атанасова истинным изобретатель компьютера. Этот удар навсегда преследовал Мочли и Эккерта.

Тем временем сам Eniac распался, и его части были выставлены в Пенсильвании и Смитсоновском институте. Наконец, он получил свое законное признание в 1996 году, через пятьдесят лет после того, как правительство объявило о его существовании. В городе Филадельфия, наконец осознав тот факт, что он может претендовать на звание колыбели не только Конституции, но и вычислений, устроили торжества (в том числе первый показательный матч между потомком Eniac, компьютером IBM Deep Blue и мировым чемпион по шахматам Гарри Каспаров). В Пенсильвании сохранилось достаточное количество Eniac, чтобы выполнить какую-то работу: вице-президент Эл Гор щелкнул выключателем, и из оставшихся кусочков выпало решение задачи на сложение.

Теперь такие вычисления происходят миллиарды раз в секунду на устройствах, которые помещаются в наших карманах. Эккерт шутил по поводу этого явления: «Как бы вы хотели, чтобы большая часть работы вашей жизни оказалась на квадратном сантиметре кремния?» Но вопрос легко можно было бы поставить и по-другому: как бы вы хотели изобрести машину, изменившую ход цивилизации?

Мне не удалось задать этот вопрос человеку, чье имя я писал на квитанциях об аренде жилья. Прес Эккерт умер от лейкемии менее чем за год до празднования 50-летия Eniac. Однако там я встретил его вдову. Джуди Эккерт сказала мне, что многоквартирный дом в Джермантауне принадлежит семье.

Редактор Wired Стивен Леви дал определение тому, что стало известно как «хакерская этика», в своей основополагающей книге 1984 года «Хакеры: герои компьютерной революции».

Читайте также: