Чарльз Бэббидж, математик и изобретатель первого в мире компьютера: 224 года со дня рождения
Чарльз Бэббидж в 1860-м году
224 года назад, 26 декабря 1791 года, по адресу 44 Кросби Роу, Уолворт Роуд в Лондоне родился мальчик, которого назвали Чарльзом. Всего в семье банкира Бенджамина Бэббиджа было четверо детей.
Чарльз в детстве много болел, и в возрасте восьми лет был даже отправлен учиться в школу в сельской местности, чтобы поправить здоровье после сильной лихорадки, чуть не прервавшей его жизнь. И после этого по состоянию здоровья ему часто приходилось учиться дома с частными преподавателями.
Во время учёбы Чарльз всерьёз заинтересовался математикой. Поступив в академию Холмвуд, он много времени проводил в тамошней библиотеке за чтением книг по математике, а по его просьбе родители наняли дополнительных к институтской программе учителей, которые помогали ему постигать эту науку дома. Один из учителей подтянул образование Чарльза до степени, пригодной для поступления в Кембридж.
Поступив в Кембридж в октябре 1810 года, и отучившись там немного, Чарльз был разочарован местным уровнем преподавания математики. Чарльз познакомился с другими одарёнными студентами – Джорджем Пикоком (в будущем – известный математик), Джоном Гершелем (в будущем – математик, астроном, химик, ботаник, изобретатель и фотограф-экспериментатор), и другими.
Совместно они организовали в стенах университета т.н. «Аналитическое общество», к заслугам которого можно, в числе прочего, отнести пропаганду символики Лейбница для работы с дифференциальными уравнениями. До этого совместными усилиями они перевели учебник «Научные основы интегрального и дифференциального счисления» французского математика Сильвестра Лакруа. Начавшись в виде шуточного студенческого проекта, к 1830-х годам «Аналитическое общество» стало уже официальным подразделением университета, и существует там и поныне.
После Кембриджа Чарльз читал лекции, занимался совместно с Гершелем научной работой, связанной с электричеством. Писал книги и пробовал заниматься политикой. Его книга «Экономика механизмов и производств», посвящённая организации промышленных производств и изданная в 1832 году, оказала основополагающее влияние на математические методы исследования операций (разработку и применение методов нахождения оптимальных решений на основе математического моделирования, статистического моделирования и различных эвристических подходов). В частности, в книге активно пропагандировался принцип разделения труда, и доказывалось, что эта методика приводит к увеличению эффективности производства. Теперь этот принцип в Британии называют «Принципом Бэббиджа».
Кроме этого, Бэббидж интересовался инженерным делом, в частности работой поездов. Он изобрёл треугольное устройство «метельник» или «путеочиститель», которое часто называли «скотобойником» (по аналогии с этим можно вспомнить «кенгурятники» внедорожников) – оно помогало оперативно очищать железнодорожные пути от посторонних предметов (и существ). Также ему принадлежит разработка специального вагона-динамометра, измеряющего различные критичные параметры железнодорожного полотна.
Участвовал в создании Астрономического сообщества и в создании единого стандарта астрономических вычислений. Именно работа над исправлением ошибок в счётных таблицах натолкнула Бэббиджа на мысль о механизации рутинного труда по подсчётам.
Цитата из исторической биографии:
В 1812 году он сидел в одной из своих комнат, и смотрел на полные ошибок логарифмические таблицы. И внезапно ему пришла идея автоматических расчётов этих чисел при помощи машин. Французское правительство разработало новый метод подсчёта таблиц. 3-4 математика решали вопросы подсчётов, ещё десяток разбивал работу на более простые части, а сама рутинная работа, состоявшая из сложения и умножения, отдавалась на откуп 80-и работникам-счётчикам, которые и не смыслили в математике ничего больше, чем эти два простых действия. Таким образом массовое производство впервые было применено для математических целей. Бэббиджа захватила идея, что работу неопытных счетоводов можно полностью заменить механизмами, которые бы работали надёжнее и быстрее.
Идея разделения труда вычислителей принадлежала Гаспару де Прони, руководившего бюро переписи Франции с 1790 по 1800 года.
В 1822 году Бэббидж опубликовал статью с описанием машины, способной заменить людей-вычислителей, а вскоре приступил к её практическому созданию. Как математику, Бэббиджу был известен метод аппроксимации функций многочленами и вычислением конечных разностей. С целью автоматизации этого процесса он начал проектировать машину, которая так и называлась - разностная. Эта машина должна была уметь вычислять значения многочленов до шестой степени с точностью до 18-го знака.
К сожалению, изобретатель не смог при своей жизни построить полностью работающую версию задуманной им машины. Вместо трёх лет он потратил на неё более 9 лет, бюджет её создания вырос в 10 раз, но он не смог предвидеть всех трудностей, связанных с реализацией своей идеи.
После того, как правительство отказалось выделять дополнительные средства на финансирование неудавшегося проекта, Бэббидж занялся более общей версией механического компьютера, «аналитической машиной», которую он назвал «Разностная машина №2».
После его смерти во второй половине 19-го века другие изобретатели по его чертежам сумели построить работающие версии разностных машин, одна из которых даже использовалась по назначению, для расчёта и публикации логарифмических таблиц.
Одна из разностных машин, построенная другим изобретателем по чертежам Бэббиджа
В период 1989 по 1991 год к двухсотлетию со дня рождения Чарльза Бэббиджа на основе его оригинальных работ в лондонском Музее науки была собрана работающая копия разностной машины № 2. В 2000 году в том же музее заработал принтер, также придуманный Бэббиджем для своей машины. После устранения обнаруженных в старых чертежах небольших конструктивных неточностей, обе конструкции заработали безупречно.
Построенная в наше время по чертежам изобретателя разностная машина, находящаяся в лондонском музее
Аналитическая машина, придуманная изобретателем, является прямым прообразом современного цифрового компьютера. В единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство (названное им «мельницей»), регистры памяти, объединённые в единое целое («склад»), и устройство ввода-вывода, реализованное с помощью перфокарт трёх типов. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей данных из памяти в арифметическое устройство и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных в машину, так и для сохранения результатов вычислений, если памяти было недостаточно.
Ещё одна современная копия машины находится в музее компьютерной истории в Маунтин Вью в Калифорнии:
Во время работы над аналитической машиной Бэббидж вёл переписку с британским математиком Адой Лавлейс . Они познакомились с Бэббиджем, когда ей было всего 17 лет. Впоследствии она не только давала ему идеи по конструкции машины, но и разработала алгоритм её работы для вычисления чисел Бернулли . В связи с этим её часто называют первым программистом в истории.
В 2011 году британские поклонники Бэббиджа разработали план постройки Аналитической машины полностью в том виде, в котором её задумал автор. Инициатива получила название «Plan 28». Пока что им не удалось найти несколько миллионов фунтов на финансирование своего проекта, но они надеются завершить его хотя бы в 2021 году, к 150-й годовщине со дня смерти изобретателя. В переводе на современные единицы, такая машина будет обладать 675 байтами памяти и работать с частотой 7 Гц.
Более 40 лет Бэббидж жил и работал в доме №1 по Дорсет Стрит квартала Мэрилебон на севере Вестминстера. Умер он там же, в возрасте 79 лет, 18 октября 1871 года. Сейчас по этому адресу можно найти круглую мемориальную табличку с его именем.
Теги: Добавить метки
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.
Первая небольшая модель аппарата Чарльза Бэббиджа
В 1822 году Чарльз Бэббидж создал первую небольшую модель своего аппарата, получившего название "разностная машина". Механизм разностной машины состоял из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Разностная машина могла управлять шестизначными числами и выражать в числах любую функцию, которая имела постоянную вторую разность. Ценность разностной машины Чарльза Бэббиджа в том, что она могла не только производить один раз заданное действие, но и осуществлять целую программу вычислений. Сам Бэббидж достаточно ясно представлял назначение своей машины. Он пропагандировал использование математических методов в различных областях науки и предсказывал при этом широкое применение вычислительных машин.
Бэббидж обратился к правительству Великобритании с просьбой о финансировании полномасштабной разработки. Правительство Великобритании, заинтересовавшись идеей, выделило деньги на дальнейшее развитие проекта. В 1834 году Бэббидж занялся разработкой еще более сложного агрегата - аналитической машины, способной выполнять определенные действия в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. Модель аналитической машины фактически можно считать прообразом современного компьютера. Главное отличие аналитической машины от разностной заключается в том, что она программируемая и может выполнять любые заданные ей вычисления.
Принцип аналитической машины Чарльза Бэббиджа
Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и является предшественницей современных ЭВМ.
Основные части аналитической машины
Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей:
- блок хранения исходных, промежуточных данных и результатов вычислений. (состоял из набора зубчатых колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру);
- блок обработки чисел из склада, названный мельницей (в современной терминологии - это арифметическое устройство);
- блок управления последовательностью вычислений (в современной терминологии - это устройство управления УУ);
- блок ввода исходных данных и печати результатов (в современной терминологии - это устройство ввода/вывода).
Аналитическая машина так и не была изготовлена Чарльзом Бэббджем. Кроме хронической нехватки финансовых средств, важнейшая из причин - технологическая. Тогда не умели обрабатывать металл с высокой степенью точности и с высокой производительностью - а для реализации проекта требовались тысячи одних только зубчатых колес.
Большое влияние на посмертную судьбу машины оказал генерал Бэббидж, сын изобретателя. Выйдя в отставку в 1874 году, он несколько лет посвятил изучению отцовского наследия, а в 1880 году начал работу по восстановлению Difference Engine в «железе». Работа продолжалась с переменным успехом до 1896 г. В конце концов к 1904 году был создан небольшой фрагмент машины, который печатал результаты вычислений. Кроме того, Бэббидж-младший сделал несколько мини-копий Difference Engine и разослал их по всему миру.
В 1991 году, к двухсотлетию со дня рождения ученого, сотрудники лондонского Музея науки воссоздали по его чертежам 2,6-тонную «разностную машину № 2», а в 2000 году - еще и 3,5-тонный принтер Бэббиджа. Оба устройства, изготовленные по технологиям середины XIX века, превосходно работают - в расчётах Бэббиджа было найдено всего две ошибки.
История создания
Первая идея разностной машины была выдвинута немецким инженером Иоганном Мюллером в книге, изданной в 1788 году.
В период 1989 по 1991 год к двухсотлетию со дня рождения Чарльза Бэббиджа на основе его оригинальных работ в лондонском Музее науки была собрана работающая копия разностной машины № 2 . В 2000 году в том же музее заработал принтер, также придуманный Бэббиджем для своей машины. После устранения обнаруженных в старых чертежах небольших конструктивных неточностей, обе конструкции заработали безупречно. Эти эксперименты подвели черту под долгими дебатами о принципиальной работоспособности конструкций Чарльза Бэббиджа (некоторые исследователи полагают, что Бэббидж умышленно вносил неточности в свои чертежи, пытаясь таким образом защитить свои творения от несанкционированного копирования).
Аналитическая машина
Несмотря на то, что разностная машина не была построена её изобретателем, для будущего развития вычислительной техники главным явилось другое: в ходе работы у Бэббиджа возникла идея создания универсальной вычислительной машины , которую он назвал аналитической и которая стала прообразом современного цифрового компьютера . В единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство (названное им «мельницей»), регистры памяти , объединённые в единое целое («склад»), и устройство ввода/вывода, реализованное с помощью перфокарт трёх типов. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей данных из памяти в арифметическое устройство и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных в машину, так и для сохранения результатов вычислений, если памяти было недостаточно.
Влияние на культуру
В 1972 году Гарри Гаррисоном в стимпанк рассказе «A Transatlantic Tunnel, Hurrah!» была упомянута «компьютерная машина Брэббеджа, занимавшая почти четверть объема субмарины», использовавшаяся для анализа состояния тросов и регулирования их натяжения во время транспортировки строительных секций Трансатлантического туннеля, а также для калибровки курса «Наутилуса II».
В 1990 году Майклом Флинном был написан фантастический роман «В стране слепых» (англ. In the Country of the Blind ), в котором рассказывается о некой тайной организации, с помощью усовершенствованных аналитических машин Чарльза Бэббиджа математически рассчитывавшую возможное развитие событий и таким образом получившую возможность влиять на ход истории.
В 1992 году Брюсом Стерлингом и Уильямом Гибсоном написан фантастический роман в стилистике стимпанка «Машина различий» (англ. The Difference Engine ), где также описывается разностная машина .
В 2005 Джон Краули опубликовал книгу «Роман лорда Байрона». Это вымышленная история о находке и расшифровке рукописи единственного прозаического произведения Байрона - романа «Вечерняя земля». Чтобы спасти роман от уничтожения, дочь Байрона Ада Лавлейс зашифровала его так, чтобы прочитать текст могли только потомки с помощью счётных машин, восходящих к разностной машине Бэббиджа.
В онлайн-проекте Рука Ориона описываются созданные на основе идей Бэббиджа полностью разумные и автономные механические ИИ величиной с крупный астероид.
См. также
Литература
- Пер. с англ. К. Г. Батаев, ред. В. М. Курочкин. Знакомьтесь: компьютер = Understanding computers. - М .: Мир, 1989. - 240 с. - (Знакомство с компьютером). - ISBN 5-03-001147-1
- Doron Swade. The difference engine: Charles Babbage and the quest to build the first computer. - ISBN 0-670-91020-1
Ссылки
- Georgi Dalakov The calculating machines of Johann Helfrich Müller (англ.) . Архивировано из первоисточника 4 февраля 2012. Проверено 25 января 2012.
- Онлайн-выставка лондонского Музея науки (англ.)
- Модель первой разностной машины Чарльза Бэббиджа, собранная из элементов детского конструктора Meccano (англ.)
- Сборка разностной машины из элементов конструктора LEGO (англ.)
История знает немало людей, которые родились явно раньше, чем следовало. И, соответственно, опередили своё время. В смысле, вышли за пределы уровня научно-технического развития своей эпохи. В девятнадцатом веке одним из таких талантов был Чарльз Бэббидж, английский учёный, математик, изобретатель... компьютера. Да, именно вычислительной машины , пусть и механической.
Как всё начиналось
Чарльз Бэббидж (Charles Babbage) родился 26 декабря 1791-го года в Лондоне. Аккурат в то время, когда человечество едва созрело для покорения электричества и начало конструировать первые источники тока.
Сын успешного банкира, Чарльз учился сначала в частной школе, а затем в Энфилдской академии и в Кэмбридже. Об автоматизации вычислений юноша задумался ещё в 1812-м. Однако строить механизм взялся лишь через семь лет, предварительно изучив счётное устройство Блеза Паскаля («Паскалину») и механический калькулятор Готфрида Лейбница.
Три года упорного труда - и в 1822-м изумлённое Королевское Астрономическое сообщество слушает доклад молодого конструктора о новом аппарате, получившем название «разностный механизм» (Difference Engine).
Почему такое странное наименование? На самом деле в нём нет ничего странного, ведь использовался так называемый метод конечных разностей.
В общем, валики с шестерёнками пришли в движение, немножко покрутились - через несколько минут был готов результат. И астрономы, и математики возрадовались: больше не нужно тратить долгие часы на расчёты, корпеть над бумажками в свете свечей и потом искать ошибки, допущенные из-за усталости.
Большая разностная машина
«Ух ты!» - дружно воскликнуло вышеупомянутое Королевское Астрономическое сообщество. - «Вот это да! Держите золотую медаль!» Чарльз Бэббидж ответил примерно так: «Хочу построить такую же штуковину, но большую. Эта - всего лишь малая. Но требуется финансирование...» Сообщество успокоило: «Деньги нужны? Дадим! Как же не дать, прогресс ведь!» И работа закипела.
Первый в мире механический компьютер планировался огромным, высотой с одноэтажный дом. Он должен был содержать 25 тысяч элементов и весить полтора десятка тонн. С оперативной памятью в тысячу ячеек вместимостью пятьдесят разрядов каждая.
Впрочем, строительство «большой разностной машины» затянулось на долгие годы. То здоровье подводило, то в личной жизни трагедии сыпались одна за одной. Ну а основная причина, конечно, заключалась в уровне технического развития той эпохи. В первой половине девятнадцатого века было не так уж легко изготовить тысячи деталей.
Видя такое дело, в 1842-м власть имущие махнули на проект рукой и прекратили финансирование.
Аналитическая машина
Мистер Бэббидж так просто не сдался и решил сделать другой компьютер - «аналитическую машину.» Причём, с архитектурой, похожей на принципиальные блок-схемы современных компьютеров. С оперативной памятью и кэшем (он назвал это store, «склад»), с процессором («мельницей», mill), контроллерами (control) и даже устройствами ввода-вывода . В общем, описал всё то, что через сто лет предоставил миру Фон Нейман, которому посчастливилось родиться вовремя.
Первые в истории человечества компьютерные программы создала дочь поэта Джорджа Байрона, Ада Августа Лавлейс, с которой сдружился мистер Бэббидж. Это были инструкции по осуществлению вычислений на аналитической машине. Она же ввела понятие «цикл».
Однако в 1851-м у мистера Бэббиджа банально закончились деньги. Работу завершил его сын, Генри Бэббидж, и то лишь в 1906-м, когда был запущен действующий экземпляр. Сам изобретатель до этого счастливого дня не дожил, умер 18 октября 1871-го года.
Другие изобретения
В общем-то, как бы ни складывались обстоятельства, одарённость всегда приносит хоть какие-нибудь плоды, даже если главную мечту всей жизни увидеть своими глазами не удаётся. Неполный, но довольно наглядный список полезных вещей, созданных Чарльзом Бэббиджем, можно оформить примерно так:
- «малая разностная машина», механический калькулятор , предшественник арифмометров;
- спидометр (изобрёл, когда работал над повышением безопасности железнодорожного транспорта);
- поперечно-строгальный станок;
- револьверный токарный станок;
- сейсмограф;
- офтальмоскоп для использования врачами-окулистами.
Последователи
В 1854-м швед Георг Шутц (Georg Scheutz) доработал калькулятор Бэббиджа и тоже получил золотую медаль за свою модификацию. Но не в Англии, а на выставке в Париже. И, по иронии судьбы, в 1859-м продал один экземпляр английским чиновникам из канцелярии правительства, отказавшимся помогать соотечественнику.
Другой швед, Мартин Виберг (Martin Wiberg), посмотрел на вариант Шутца и продолжил модернизацию в сторону более удобной работы с логарифмами.
Ну а там уже и до электромеханических вариантов было недалеко. Таковой создал в 1890-м американец Герман Холлерит. Его шкафы с железками внутри, умеющие считать, назывались табуляторами. Тогда же возникла идея применения перфокарты. Так зародилась фирма IBM.
Заключение
Можно ли считать Чарльза Бэббиджа изобретателем компьютера? Да, можно. Причём, даже по самым дотошным современным меркам. Во-первых, в 1822-м учёный предъявил действующий прототип. Во-вторых, самостоятельно разработал проект более мощного вычислительного устройства , которое по его чертежам было построено в начале двадцатого века.
Польза от других изобретений, «побочных мелочей» вроде станков и приборов, пожалуй, никаких сомнений не вызывает. Ну а воссозданную в 1991-м изначальную «разностную машину» выставили в лондонском Музее науки, чтобы каждый желающий мог увидеть материальное свидетельство одарённости по-настоящему талантливого человека.
Предыдущие публикации: