Килобайты шестеренок: жизнь без компьютеров

Килобайты шестеренок: жизнь без компьютеров

Творцы механических, электромеханических и гидравлических счетных машин прошлого, разумеется, даже не догадывались, что все их самые смелые мечты однажды уместятся в микроскопической точке на кремниевой пластине. Эти люди просто делали свое дело и в конечном итоге прошли немалую часть пути, отделяющего эпоху канцелярских счетов от эры супер- и микрокомпьютеров.
Олег Макаров

Чем бы ни оказалось загадочное устройство, съеденные водой и солью останки которого были обнаружены больше ста лет назад на дне моря у греческого острова Антикифера, — древним арифмометром или календарем для вычисления олимпиад, — очевидно одно: полная, без пробелов, ранняя история вычислительных механизмов никогда не будет написана. Ведь вполне вероятно, целые главы этой истории скрыты от нас песками времени или толщей морской воды. Доподлинно известно, что некую схему счетного устройства на зубчатых колесах рисовал гениальный Леонардо, а уже в XVII веке свои работающие модели арифмометров создали Вильгельм Шикард, а также выдающиеся ученые и философы того времени — Блез Паскаль и Готфрид Лейбниц. Все эти машины, однако, были еще весьма примитивными устройствами, и их возможности не выходили за рамки четырех арифметических действий. При сложных расчетах калькуляторы Паскаля и Лейбница выполняли лишь вспомогательную функцию, а исходный результат во многом зависел от человека — его внимательности и аккуратности. Неизбежны были и ошибки, которые накапливались в навигационных таблицах и астрономических справочниках, что вело за собой катастрофы на море и многочисленные человеческие жертвы. Время все настойчивей требовало создания более совершенных вычислительных устройств, которые могли бы выполнять сложные расчеты в автоматическом режиме. Однако в распоряжении конструкторов ранней индустриальной эпохи была все та же старая добрая механика — зубчатые колеса и цилиндры.

Машины Чарльза Бэббиджа Машины Чарльза Бэббиджа Воплощению в жизнь идей Чарльза Бэббиджа помешали не только особенности характера гения, но и качество механики Викторианской эпохи. 1. Разностная машина. Машина проектировалась как калькулятор для автоматических вычислений путем аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Работа над «разностной машиной» началась в 1821 году, но после того, как в 1833 году опытный образец так и не заработал, Бэббидж лишился правительственных субсидий и забросил проект. В 1847—1849 годах ученый создал эскиз второй версии «разностной машины». До воплощения в металл дело не дошло, однако усовершенствованная модель могла бы быть вполне работоспособной, что и было доказано в 1991 году, когда «разностную машину-2» построили и испытали. 2. Аналитическая машина. ее проектированию Бэббидж приступил в 1834 году, и работа над механическим компьютером продолжалась до самой смерти изобретателя в 1871-м. Если бы проект воплотился в жизнь, «аналитическая машина» представляла бы собой механического монстра длиной 30 м и шириной 10 м. Ввод данных для обработки и программ производился бы с помощью перфокарт. В качестве выводного устройства использовались бы принтер, самописец, а также устройство для набивания перфокарт. Язык программирования для «аналитической машины» напоминал современный ассемблер. 3. Суперпамять. В «аналитической машине» использовалась десятичная система, а элементом памяти было зубчатое колесо, находившееся в одном из десяти положений. Устройство памяти могло бы хранить до тысячи 50-значных чисел, что соответствует объему более 20 килобайт — больше, чем у первых компьютеров!

Первым вручить машине расчеты навигационных таблиц, основанных на тригонометрических функциях, решился сын лондонского банкира Чарльз Бэббидж (1791−1871). Едва не выбрав карьеру священника, он все же обратил свой взгляд в сторону рационального знания и стал одним из самых многосторонних ученых-новаторов своей эпохи.

14 июня 1822 года на заседании Аналитического общества Бэббидж прочел доклад «Наблюдения о применении машин в расчетах математических таблиц», в котором описал проект «разностной машины». По мнению ученого, это устройство должно было избавить человека от «утомительной монотонности» расчетов, оставив ему лишь функции контролера и наблюдателя. Возможность рассчитать новые точные таблицы для навигационных нужд и артиллерийской стрельбы показалась британскому правительству заманчивой, и Бэббидж получил под свой проект солидное финансирование. Для создания «разностной машины» ученый пригласил одного из лучших английских механиков Джозефа Клемента. Однако все пошло не так быстро, как хотел Бэббидж, и, быть может, главной причиной был он сам. «Разностная машина» представляла собой сложную систему узлов, состоящих из зубчатых колес и рычагов, которые должны были приводиться в действие паровой машиной. Пока в мастерской Клемента изготавливали в металле какой-нибудь элемент будущего устройства, Бэббидж уже успевал усовершенствовать его на бумаге, и механикам приходилось все начинать сначала. Стремление к абсолютному совершенству сыграло с изобретателем злую шутку.

Удачная копия Удачная копия Построенный в 1991 году работающий экземпляр «разностной машины» находится в экспозиции лондонского Музея науки. Воссозданием этого памятника инженерной мысли было отмечено 200-летие со дня рождения Бэббиджа.

Драматическая история конструкторских исканий Бэббиджа хорошо известна: ни две версии «разностной машины», ни еще более амбициозный и революционный проект «аналитической машины» так и не были доведены до конца.

Но нельзя сказать, что идеи Бэббиджа совсем не пригодились XIX столетию: в 40−50-е годы два шведа — Пер Георг Шойц и Мартин Вибер — создали вполне работоспособные счетные устройства, вдохновившись проектом «разностной машины», которая все же была сложным калькулятором, но не компьютером в современном понимании. А вот идея «аналитической машины» явно опередила свое время лет на 70−80. Этот проект Бэббиджа стал единственной в своем роде попыткой создать универсальный программируемый компьютер с устройствами ввода-вывода, процессором и памятью на технологической базе Викторианской эпохи — эры механических автоматов и паровых машин.

Последний и первый

Интересный факт, в котором можно усмотреть некую иронию судьбы: два человека, оставившие след в истории Третьего рейха, в юности пытались начать карьеру художника. Одним из них был некто Адольф Гитлер, от воспоминаний о «достижениях» которого до сих пор содрогается мир. Другой же соотечественник и младший современник фюрера — Конрад Цузе (1910−1995) — напротив, заслужил благодарность человечества и лавры первооткрывателя.


Стрелки на дисплее

1. Цели и средства. Задавшись целью автоматизировать расчеты навигационных и баллистических таблиц, Чарльз Бэббидж пришел к идее программируемого компьютера. Американец Герман Холлерит (1860−1929) искал свой ответ на другой вызов эпохи — необходимость обрабатывать большое количество числовых статистиче ских данных. В итоге появилась знаменитая табулирующая машина Холлерита, видом своим напоминающая одновременно пианино и компьютер с дисплеем. В роли дисплея выступала панель с четырьмя рядами циферблатов, на каждом из которых отображалось значение соответствующей графы статистической таблицы.

2. Иголки и ртуть. Данные в машину вводились с помощью перфокарт, ведущих свою родословную от программируемого станка Жаккарда (1804−1805). В перфокартах американский изобретатель увидел возможность формализовать сбор любой статистической информации с целью ее последующей машинной обработки. Важной частью всей системы стал перфоратор (пантограф) — специальное портативное устройство, с помощью которого, например, участник переписи населения мог фиксировать полученные сведения в виде отверстий на перфокарте. Далее при обработке информации табулирующая машина сама определяла, какие данные в какой графе должны быть учтены и суммированы. Считывание перфокарты в машине Холлерита происходило с помощью так называемого пресса, на нижней части которого расположены ряды иголок на пружинках. При опускании пресса на перфокарту иголки в местах пробивок свободно проходили насквозь и касались расположенных в нижней части пресса чашечек с ртутью. При этом замыкались контакты, и простое электромеханическое устройство отображало вновь введенные данные на соответствующих циферблатах. Отработанная перфокарта опускалась в специальный ящик, после чего можно было считывать следующую перфокарту.

3. Недели вместо лет. С помощью табулирующей машины опытные работники могли считывать до тысячи перфокарт в час. Это дало колоссальный прогресс в производительности. Первый табулятор был опробован в 1886 году в статистическом бюро Балтимора, а уже в 1990 году в ходе общенациональной переписи населения США машина Холлерита посчитала предварительные результаты за шесть недель. Раньше на такую работу уходили годы. В 1896 году 110 машин Холлерита участвовали в обработке переписи населения Российской империи, благодаря чему один из четырех сохранившихся в мире экземпляров этого электромеханического счетного устройства находится в московском Политехническом музее, где его может увидеть каждый желающий.


В отличие от Гитлера, Цузе оставил перо и карандаш не ради политики: он выбрал более надежную стезю инженера, окончив в 1935 году Высшую техническую школу Берлинского университета. Еще в студенческие годы, решая в ходе инженерных расчетов уравнения с несколькими неизвестными, Цузе задумался о том, как бы передать эту рутинную и утомительную работу машине.

К середине 1930-х имя и идеи Чарльза Бэббиджа были практически забыты. Кроме того, ученые нацистской Германии в силу известных политических причин практически не имели контактов с научным миром Англии и США, так что Цузе вряд ли что-то слышал об идеях американского математика Клода Шеннона, первым додумавшегося воплотить булеву бинарную логику в электрических схемах. Тем удивительнее, что именно молодой немецкий инженер, ставший в 1936 году сотрудником авиационной компании Henschel, сумел практически в кустарных условиях создать первый в истории программируемый компьютер, в котором вместо десятичной системы использовались бинарная логика и двоичный код. Точно так же, как и в «аналитической машине» Бэббиджа, здесь были арифметическое устройство, память, вмещавшая в себя 64 машинных слова по 22 бита каждое, устройства ввода (считыватель перфокарт) и вывода.

Вода для вычислений Вода для вычислений Рассказ о вычислительной технике до эпохи цифровых электронных компьютеров был бы неполным без упоминания одного из самых необычных типов счетных машин — гидравлических компьютеров. Машина, представленная на фото, создана в СССР более полувека назад и называется гидравлическим интегратором. Пусть никого не обманывают загадочные трубки, бумага для самописца вместо дисплея и отсутствие привычной клавиатуры. Этот экспонат зала истории вычислительной техники Политехнического музея является самым настоящим аналоговым компьютером, с помощью которого проводились сложнейшие расчеты. 1. Аналоговая семья. За всю историю вычислительной техники было создано немало разных типов аналоговых компьютеров, среди которых есть и электронные, и механические, и пневматические, и даже гидравлические. Общее у машин этого класса одно: аналоговый компьютер выполняет расчеты с числами, представленными физическими переменными. 2. Текучие данные. Создателем гидравлического интегратора — первой в мире вычислительной машины для решения дифференциальных уравнений в частных производных — стал известный советский ученый Владимир Сергеевич Лукьянов (1902−1980). Концептуальной основой работ Лукьянова стало открытие академика Н.Н. Павловского, доказавшего возможность замены одного физического процесса другим, если они описываются одним и тем же уравнением. Отталкиваясь от этого тезиса, Лукьянов разработал способ автоматизации расчетов неустановившихся процессов с помощью гидроаналогий. Первая вычислительная машина, работающая с гидромоделью, была создана в 1936 году. В основе конструкции — сосуды, соединенные между собою трубками с изменяемым гидравлическим сопротивлением. Итоги вычислений представлялись в виде графика, рисуемого самописцем. 3. Финанцефалограф. В 1949 году известный новозеландец Билл Филлипс, еще будучи студентом Лондонской школы экономики, продемонстрировал вычислительную машину под названием MONIAC. В этом имени угадывалось английское слово money («деньги»), известная компьютерная аббревиатура ENIAC и явно что-то связанное с маньяками. Машина представляла собой гидравлическую модель британской экономики, а точнее, движение денег в ней. В виде прозрачных емкостей и трубок, в которых циркулировала подкрашенная вода, изображались траты казны, налоги, инвестиции, импорт и экспорт. Сделанный прежде всего в учебных целях, MONIAC пригодился и для серьезных расчетов.

Но интересно не только это. В первой модели счетной машины, которая получила название V-1 (читается «Фау-1» — еще одна ирония судьбы!) вещественно и зримо встретились прошлое и будущее: механика и информационные технологии. Дело в том, что единственным электрическим устройством в V-1 был электродвигатель, который выполнял функцию привода и генератора частоты (1 Гц), а логические элементы собирались из чисто механических переключателей. Устройство для хранения одного бита памяти состояло из верхней пластинки с продольным вырезом (он выполнял роль направляющей), нижней пластинки с П-образным вырезом (то есть с двумя пазами) и металлического стержня, который, занимая один или другой паз, создавал значение «1» или «0». В более поздних моделях (их было три, и все они, а также бывший V-1, получили индекс Z, чтобы не путать компьютеры с ракетами) Цузе использовал телефонные электрические реле, однако его первенец так и остался в истории единственным компьютером (а не арифмометром), построенным исключительно из механических деталей.

В нашу эпоху микросхем, вмещающих десятки миллионов транзисторов, арифметические устройства с механическими частями сохранились разве что в бытовых приборах вроде счетчиков воды или индикаторов пробега в автомобилях устаревших конструкций. Однако говорить о том, что пути механики и вычислительной техники разошлись раз и навсегда, было бы преждевременно. В разных странах мира ведутся разработки так называемой наномеханической памяти. Идея заключается в том, чтобы записывать цифры двоичного кода с помощью нанообъектов, которые изменяют свое положение в пространстве, занимая одно из двух (или более) стабильных состояний. Как показывают расчеты, по сравнению с ныне используемыми типами памяти память на наномеханических элементах позволит на несколько порядков повысить плотность записи данных на носителе.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2008).
Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.