Доклад: Из истории вычислительной техники

Георгий Члиянц

Необходимость быстрого и точного проведения трудоемких и математических расчетов при составлении математических таблиц для астрономии и морской навигации, по-видимому, в значительной степени стимулировали в ХIX веке разработку цифровых счетных машин. Первые попытки создать калькулятор были предприняты деловыми людьми, которые вынуждены были складывать и вычитать длинные колонки цифр и практически не занимались нелинейными функциями. И хотя работы над аналоговыми машинами для расчета математических функций начались во второй половине XIX века, заметного прогресса в аналоговых машинах не наблюдалось до середины XX века.

Самый первый механический компьютер был всего лишь суммирующей машиной, которая могла складывать и вычитать, но не умела умножать и делить. Построенная Блезом Паскалем в 1642 г, эта машина использовалась для сложения колонок цифр в конторе его отца. Калькулятор имел числовые колеса, установленные на параллельных горизонтальных осях. Положение этих колес могли быть определены, а их суммы считывались через окна в кожухах. Числа вводились при помощи горизонтальных наборных колес, которые были связаны с числовыми колесами посредством штифтов. Большинство числовых колес работали в десятичной системе, каждое колесо было связано с колесом более высокого разряда при помощи храпового механизма переноса.

Полагают, что еще до Паскаля счетная машина была создана Вильгельмом Шикхардом из Тюбингема в Германии в период с 1623 по 1624 года, однако достаточно веских доказательств этому не существует.

В 1673 г Готфридом Вильгельмом Лейбницем, немецким философом и математиком, было создано счетное устройство, в котором использовался механизм, известный под названием колеса Лейбница. Счетная машина обеспечивала не только автоматическое сложение и вычитание, но также умножение и деление. Счетные машины с видоизмененными колесами Лейбница использовались вплоть до второй мировой войны.

Однако лишь в 1820 г, когда Чарльз Томас продемонстрировал свой арифмометр, началось промышленное производство калькуляторов, выполняющих четыре арифметические функции, причем вплоть по конца XIX века они выпускались малыми сериями.

По-видимому, первая серьезная работа в области первых цифровых компьютеров была выполнена английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэбиджем по заказу британского правительства. В 1823 г Бэбидж начал работать над "разностной машиной" - специализированным калькулятором, который должен был помочь британскому морскому ведомству в составлении различных мореходных таблиц.

Это могли быть таблицы умножения, логарифмов, синусов, косинусов, а также всевозможные таблицы результататов физических измерений и наблюдений.

Машина Бэбиджа должна была выполнять ысе арифметические операции, используя для этих целей целый 20-разрядный регистр, и производить печать выходных данных. Однако математик, так и не закончив работу над "разностной машиной", приступил в 1833 г к реализации проекта "аналитической машины", но эта идея не получила практического воплощения. Машина была задумана как универсальный компьютер и по своему замыслу очень напоминала компьютер "Марк 1", созданный век спустя в 1930 г в Гарвардском университете. Бэбидж предсказал необходимость в двух отдельных устройствах - хранения (или памяти), где находятся информация и команды, введенные в машину с помощью перфокарт, и перерабатывающего блока (или процессора), который выполняет операции, пользуясь находящимися в памяти информацией и командами. Бэбидж заимствовал идею перфокарт у Джозефа Мари Жаккарда, который в 1805 г изобрел приспособление к ткацкому станку, автоматизирующее процесс получения узора на ткани. Жаккард использовал набор карт с пробитыми отверстиями, соответствующими необходимому рисунку. Крючки проходили через отверстия в картах и протягивали вниз нити основы, в результате чего челнок проходил над определенным образом выбранными нитями.

"Аналитическая машина" Бэбиджа должна была хранить в памяти 1000 слов, каждое из 50 разрядов, и при произвольном доступе к таблицам функций она должна была звонить, предупреждая оператора о необходимости ввода дополнительной информации. Устройство, использующее концепцию "разностной машины" Бэбиджа, было изготовлено Пьером Георгом Шетцем в Швеции в 1854 г. [Примечание: Однако создать работающую модель "аналитической машины" удалось лишь через сто лет фирме International Business Mashines (IBM).]

До Джорджа Буля математические методы не позволяли удовлетворительно объяснить формальную логику, столь необходимую для работы вычислительных машин. Этот английский логик опубликовал труды "Математический анализ логики" в 1848 г и "Исследование законов мышления" в 1854 г, которые легли в основу современной симфолической логики. Иоженная в этих трудах теория позволила выразить логические правила в виде простых алгебраических уравнений.

Уравнение Х = Х для любой Х системы является основным в булевой алгебре и в числовых значениях имеет только два решения: 0 и 1. Существующие компьютеры пользуются этой двоичной системой, а их логические блоки выполняют операции с двоичными числами.

1890 г ознаменовался зарождением двух компьютерных фирм: Burrougths и IBM. В этом году Уильям Барроуз изобрел "суммирующую листинговую машину" - весьма популярный в то время конторский калькулятор, а Герман Холлерит оказал большую омощь в обработке информации переписи населения США 1890 г своим ранее созданным процессором.

В 1896 г Холлерит организовал фирму Tabulating Machine, которая выпускала как вычислительную технику (прообраз компьютера - сортировальное устройство и счетчик Холлерита), так и используемые в них карты. [Примечание: В 1911 г эта фирма слилась с компанией, производившей весы и промышленные часы, в результате чего образовалась фирма Computer-Tabulating-Recording. В 1924 г под руководством Томаса Уотсона эта фирма была переименована в известное всему миру название - IBM.]

Машина Холерита состояла из трех частей: табулятора с напоминающими часы механизмами, который получал сигнал от считывающих щеток, сортирующего устройства с 24 бункерами, электрически связанными со счетчиками табулятора, и вставляемых вручную перфокарт. Каждая перфокарта размерами 168х83 мм имела 288 позиций для пробивки отверстий. В нормальном состоянии все крышки бункеров были закрыты, а при "чтении" отверстия электрическая схема замыкалась, освобождала защелку и крышка поднималась. Затем карта опускалась в бункер вручную. И лишь несько лет спустя Холлерит сумел автоматизировать эту часть процесса.

В 1907 г американце Джеймсу Пауэрсу, инженеру бюро переписи, было поручено сконструировать автоматический карточный перфоратор, а в 1911 г он создал фирму Powers Tabulating-Recording, которая в течении нескольких лет конкурировала с фирмой Computer-Tabulating-Recording. [Примечание: В 1927 г фирма Пауэрса была поглощена компанией Remington Rand, объединившейся в 1955 г с фирмой Sperry Gyroscope.]

В 1929 г фирма IBM насчитывала 4400 сотрудников и специализировалась на производстве самописцев, табуляторов и весов. Имея техническую базу в виде разработанного Германом Холлеритом электромеханического табулятора с вводом исходных данных с перфокарт IBM изготовила для Колумбийского университета машину для статистической обработки данных. Это цифровой вычислитель или, как его называли в то время, дифференциальный табулятор, в котором для поиска и запоминания информации использовались регистры, позволил реализовать многие из идей, высказанных приблизительно сто лет назад до этого Бэбиджем.

В отличии от цифровых компьютеров аналоговые вычислительные машины начали серьезно разрабатываться только в 1930 г в Массачусетском технологическом институте под руководством Ванневара Буша. [Примечание: До этого работы над аналоговыми машинами проводились в Англии в конце XIX века братьями Джеймсом и Уильямом Томсонами. Джеймс Томсон разрабатывал планиметр, в котором использовался интегратор с шаром и диском. Уильям Томсон (лорд Кельвин) применил этот интегратор в анализаторе гармоник и предсказателе морских приливов. Позже он выдвинул идею дифференциального анализа, Однако практическая реализация его оказалась неосуществимой в связи с техническими трудностями].

В 1931 г дифференциальный табулятор Бэбиджа был положен фирмой IBM в основу умножающих машин серии 600 - предшественников компьютера "Марк 1", разработчиком которого во второй половине 30-х годов был Говард Айкен.

Как видно из вышеизложенного материала вычислительная техника, начав свое развитие с механических устройств, впоследствии прошла свою короткую электромеханическую стадию в 30-х годах и стала электронной в 40-х.

Список литературы

1. "Электроника: прошлое, настоящее, будущее" (Пер. с анг. под ред. чл.-кор. АН СССР В.И.Сифорова ["Мир"; М.; 1980 (296 с.)].

2. Георгий Члиянц (UY5XE). "Хроника истории вычислительной техники" ["Радиолюбитель. Ваш компьютер"; #11/2000 (c.10-11)].