Методические материалы, статьи

Основоположники

Если мы пойдем от стоящего на столе у меня дома компьютера назад по историческому пути технологий, то увидим такое ускорение прогресса, какого не наблюдалось, наверное, ни в одной области деятельности человека.

Моя модель, сейчас вполне устаревшая, еще три года назад была мечтой жизни всякого уважающего себя компьютерщика, еще пять лет назад с такими функциями справлялись лишь супердорогие графические станции, а десять — не все умели делать даже «большие» ЭВМ. Если мы пойдем дальше назад, то встретим первые текстовые ПК, ЕС ЭВМ (мэйнфреймы IBM 370), еще ранее — монстры первого и второго поколения, потребляющие сотни киловатт и требующие количества персонала, как приличная фабрика. А еще дальше — ENIAC, Марк-1, «кибернетические машины», Винер, Тьюринг, фон Нейман, теории, теории… А начало-то где?

«Если непредубежденный … человек достигнет успеха в конструировании машины, воплощающей в себе целый исполнительский отдел математического анализа, я без риска оставляю свою репутацию на его ответственность, так как только он один сможет полностью оценить природу моих попыток и значения их результатов».

Чарльз.Бэббидж, около 1860

«Аналитическая машина не претендует на то, чтобы создавать что-то действительно новое. Машина может выполнить все то, что мы умеем ей предписать».
Ада Лавлейс, 1843

«Аналитическая машина Бэббиджа была универсальной цифровой вычислительной машиной…»
Алан Тьюринг, 1956

Есть в истории личности, которые хотя и жили давным-давно, но принадлежат нашему времени гораздо более, чем своему. Это никого не удивляет, когда речь идет о мыслителях, художниках или ученых, но это сверхудивительно, когда речь заходит о технике и технологии.

Экспоненциальное развитие компьютерных технологий, в последние десятилетия затмившее развитие науки и подчинившее себе в определенном смысле многие другие области человеческой деятельности, не оставляет места для ностальгии по старому доброму времени. Достижения тринадцатилетних становятся историей, едва им исполняется 40 (президенту Микрософт Биллу Гейтсу, самому богатому человеку планеты, сейчас всего 43, свой первый миллиард он заработал в 30 лет, Майкл Делл, президент крупнейшей компьютерной фирмы Dell, еще не достиг и сорока). Что можно в этих условиях увидеть интересного в деятельности изобретателя, родившегося не десятилетия даже — более двух веков назад!?

У всякого крупного открытия или изобретения обязательно есть предшественник. Почти ничего не изобреталось впервые — а в историю входит обычно тот, кто сумел не только изобрести, но и доказать всем остальным, что им это совершенно необходимо. Ну что толку, что радио изобрел Попов, если даже на советских судах радистов называли «маркони». Или что закон сохранения массы открыл Ломоносов, если до широкой общественности его довел Лавуазье (естественно, и не подозревая про Ломоносова).

Впрочем, так происходит не всегда — есть области деятельности, где иногда значение первооткрывателя выше, нежели «внедренца». Так сложилось в истории механизации вычислений, где имена Непера, Лейбница и Паскаля куда более знамениты, чем имя изобретателя, сконструировавшего первый массовый арифмометр, Карла Томаса, мастерские которого во Франции, начиная с 1821 года, делали до 100 экземпляров в год. Конструкция их (основанная, впрочем, на теоретических изысканиях предшественников) оказалась настолько удачной, что использовалась в различных модификациях в течение всего XIX века.

Тут надо вспомнить, что люди вообще считать-то толком научились не так уж давно — десятичная позиционная система получила повсеместное распространение в Европе не ранее XIV века, а в России — и вовсе после Петра. До этого считали исключительно на абаке — прообразе современных счетов, а числа записывались с помощью алфавита. Существование абака, как ни странно, тормозило изобретение механических устройств для счета, так как для них необходимо было глубокое понимание сущности производимых действий.

Однако к началу XIX века идея массовой механизации вычислений уже висела в воздухе. Основным заказчиком таких устройств были, как и в наши времена, военные и адмиралтейства — проблема создания навигационных таблиц стояла в те времена достаточно остро. Для создания таких таблиц привлекались лучшие умы. Но и они не были застрахованы от ошибок. Рассказывают следующую занимательную историю: во время передышки в ходе англо-испанской войны некий испанский капитан нанес дружественный визит на английский военный корабль, где англичане подарили ему роскошное издание навигационных таблиц, составленных выдающимся физиком Томасом Юнгом. Эти таблицы были, однако, совершенно ошибочными — Юнг забыл учесть високосные годы. Не подозревавший об этом испанец с благодарностью покинул «гостеприимных» хозяев и … больше его не видел никто. Вероятно, это один из первых случаев удачного применения дезинформации противника в истории тайной войны.

Идея построения «разностной машины» для вычисления разного рода таблиц (не только навигационных, но и тригонометрических, логарифмических, таблиц сложных процентов и других, совершенно необходимых для развития зарождающего индустриального общества) у Ч.Бэббиджа возникла еще в 1812 году, во время учебы в Кембриджском университете. Такое название она получила из-за использования метода «конечных разностей», широко применявшегося при ручном счете. Но сначала, как положено, некоторые даты из жизни нашего героя…

Чарльз Бэббидж (Charles Babbage) родился в 1791 году в Англии. Состояние его отца, банкира, не только позволило юному Чарльзу обучаться в частных школах и окончить Кембридж, но и сделало его относительно финансово независимым на всю оставшуюся жизнь. Любимым его чтением еще в школе был учебник алгебры. Поступив в 1810 году в знаменитый Тринити-колледж, Чарльз обнаружил, что уже знает математику лучше большинства своих сверстников. Положение в английской науке в то время несколько напоминает новую историю России — существовало «единственно верное учение» Ньютона, а все остальное — иностранная «лженаука». Бэббидж совместно с друзьями (Д.Гершелем, сыном знаменитого астронома, и Д.Пикоком, впоследствии известным математиком) основал «Аналитическое общество», которому было суждено сыграть выдающуюся роль в деле перестройки ситуации в английской математике. В 1815 году он женится и переезжает в Лондон. Всего у него было восемь детей за тринадцать лет брака, пятеро из которых умерли в детстве. В 1828 году жена его тоже умерла.

Бэббидж был весьма одаренным и разносторонним человеком. Он был необычайно общителен — среди его друзей числятся Лаплас, Гумбольдт, Био, он поддерживал близкие отношения с Дарвином, Мальтусом, Теккереем, Юнгом, Стефенсоном, Фурье, Пуассоном, Фуко, Дэви, Бесселем и многими, многими другими. Менее всего он похож на сложившийся стереотип гениального изобретателя как непризнанного гения и мизантропа. Вовсе нет, большинство его идей было вполне понято современниками (хотя и не все, не всеми и не в полной мере), включая главное дело его жизни — разностную, а затем аналитическую машину. Более того, правительство Англии, которое обычно не финансировало в то время научные исследования, в виде исключения периодически выделяло Бэббиджу определенные суммы. Причины неудачи Бэббиджа (если можно назвать неудачной деятельность человека, частичка труда которого заложена в каждом из миллионов компьютеров, ежемесячно производящихся в сегодняшнем мире) лежат в иной области. Но об этом ниже.

Один из чертежей аналитической машины (1858)
Работать над созданием разностной машины Бэббидж начал вскоре после 1812 года. Прежде всего у него возникло множество, как сейчас бы сказали, технологических проблем. Приходилось изобретать не только узлы и механизмы, но и способы их изготовления с достаточной точностью. Тем не менее при всех сложностях Бэббидж сумел к 1822 году построить действующую модель, на которой он рассчитал, в частности, таблицу квадратов. В том же году он обратился с письмом к президенту Королевского общества известному химику Гэмфри Дэви с предложением построить значительно большую машину, позволяющую вести расчет навигационных, астрономических и тригонометрических таблиц с достаточной точностью. Он предвидел масштабы необходимых затрат, но, как выяснилось позднее, все же ошибся как минимум на порядок. В 1823 году при содействии Дэви, который подтвердил осуществимость проекта, правительство Англии выделило первые 1500 фунтов с обязательством со стороны Бэббиджа построить машину за три года. Через десять лет машина все еще не была построена, хотя истрачено было к тому времени 17 тысяч фунтов правительственных денег и 13 тысяч собственных денег Бэббиджа — огромное состояние по тем временам!

Тем не менее история, возможно, имела бы более счастливый конец для разностной машины, если бы не одно обстоятельство, из-за которого имя Бэббиджа и осталось навсегда в истории науки. Около 1833 года ему пришла в голову идея усовершенствованной машины — «аналитической», после чего он разностную машину практически похоронил. Ибо возможности новой машины значительно перекрывали возможности разностной. И это была первая в истории идея ЦВМ.

Догадываетесь, чем калькулятор отличается от компьютера? Первый работает, подобно музыкальному автомату, по раз и навсегда заданной программе. Программ может быть и несколько, но для каждой из них требуется менять конструкцию устройства — в современных калькуляторах и микроконтроллерах менять содержимое ПЗУ. А идея «аналитической машины» состояла в том, чтобы использовать единую конструкцию для выполнения многих — теоретически любых — программ. Это и есть идея ЦВМ — во вполне современном виде. И, надо сказать, идея эта вовсе не тривиальная. Так, самолет или связь на расстоянии в некотором смысле изобретать было не надо — идея сама просто напрашивается, нужно только придумать, как ее осуществить. А вот, скажем, железная дорога — ее еще надо было выдумать. Так же и компьютер — как компьютер, а не как калькулятор.

Аналитическая машина Бэббиджа содержала все узлы сегодняшнего компьютера: ОЗУ на регистрах из колес (Бэббидж назвал его «store» — склад), АЛУ — арифметико-логическое устройство («mill» — мельница), устройство управления и устройства ввода-вывода, последних было даже целых три: печать одной или двух копий (!), изготовление стереотипного отпечатка и пробивка на перфокартах. Перфокарты (изобретение отнюдь не Бэббиджа) служили и для ввода программы и данных в машину. ОЗУ имело емкость 1000 чисел по 50 десятичных знаков (то есть около 20 килобайт), что более чем прилично — для сравнения укажем: ЗУ одной из первых ЭВМ «Эннак» (1945 г.) имело объем всего 20 десятиразрядных чисел, а знаменитый Aplle II (1980 г.) поступал в продажу чаще всего с 48 килобайт общей памяти — для программ и данных. АЛУ имело, как мы бы сейчас сказали, аппаратную поддержку всех четырех действий арифметики. Может себе представить — на дворе 1834 год! Еще не изобретены фотография и электрические генераторы, и в помине нет телефона и радио, только-только начали прокладывать первые железные дороги и телеграфные линии. Радиоактивность, которая повлечет за собой всю цепочку событий, приведших в том числе и к достижениям современной технологии полупроводников, откроют только в 1890-х годах. На морях еще безраздельно господствует парус, а в передвижении по суше — друг человека, лошадь. А тут — ЦВМ! И ведь конструкцией дело не ограничилось.

Тут на сцену выходит другой персонаж, а именно — Ада Августа Лавлейс, дочь Байрона и первая в истории программистка. Рискуя утомить читателя, все же остановлюсь на нескольких штрихах к биографии уникальной леди. Хотя она прожила короткую жизнь, умерев в 1852 году в возрасте 37 лет, эта жизнь сложилась довольно счастливо, не в пример жизни ее матери, вынужденной расстаться со знаменитым, но неудобным мужем, еще когда Аде не исполнилось и месяца. Ада с малолетства привлекала внимание современников нетривиальным сочетанием черт характера — будучи вполне миловидной и женственной, в то же время она поражала своим быстрым математическим умом. Кроме того, в отличие от Бэббиджа, на дух не переносившего никакой лирики, Ада прилично играла на нескольких инструментах и владела несколькими языками. Окружающие поощряли математические занятия Ады, в том числе и ее богатый муж, граф Лавлейс, что само по себе вещь не очень обычная для тех времен.

В 1842 году итальянец Менабреа (впоследствии премьер-министр Италии!) опубликовал описание аналитической машины Бэббиджа на итальянском языке. Сам Бэббидж не был расположен к популяризации своих идей — еще одна черта неутомимого характера, попросту ему было жалко времени. Поэтому он активно приветствовал появление английского перевода работы Менабреа, сделанного Адой Лавлейс, с которой к тому времени уже был прекрасно знаком и проводил некоторые совместные работы. Пожалуй, Ада наиболее глубоко понимала сущность и перспективы идей Бэббиджа и потому последний предложил ей сделать свои комментарии к переводу. Вот эти-то комментарии, явившиеся единственной печатной работой Ады Георгиевны, значительно превысившие как по объему, так и по значению сам оригинал, и вошли в историю как пример первого описания ЦВМ и инструкций по программированию к ней.

Естественно, здесь не место для подробного разбора этой уникальной работы. Но некоторые моменты заслуживают, чтобы быть упомянутыми. Разбирая возможности аналитической машины в сравнении с разностной, Ада указывает, что нет никаких причин для ограничения операций только действиями над числами: «Она позволяет осуществить полное управление при выполнении действий над алгебраическими и цифровыми символами», а в другом месте: «Она может выдавать результаты трех видов: символические… численные… и алгебраические в буквенных обозначениях». В примечании В рассматривается ЗУ и предлагается система для символического обозначения данных, содержащихся в памяти: кружок — число, квадратик — символ и так далее (чем не прообраз современного ассемблера?). В примечании D дана программа машинного расчета системы уравнений с двумя неизвестными. Программа дана в виде таблицы и при этом часто используется вполне современная символика, включая термин «рабочая ячейка». В примечании Е рассматривается краеугольное понятие программирования — цикл операций и даже цикл циклов! В процессе знакомства с работой молодой леди (ей тогда было всего 28 лет) приходится себе все время напоминать, что все это было в эпоху Пушкина, графа Монте-Кристо и начала покорения Дикого Запада.

И сам Бэббидж, и Ада прекрасно понимали, ЧТО они изобрели, — это доказывает довольно подробный разбор теоретических возможностей машины, см. цитату в эпиграфе. Это дало основания отцу современной информатики А.Тьюрингу, увлекшемуся под конец жизни околофилософскими проблемами, ввести в своей знаменитой брошюре «А может ли машина мыслить?» (1956 г.) целый раздел под названием «Возражения леди Лавлейс». А Бэббидж в 1838 году упоминал о возможности, как бы мы сейчас сказали, моделирования химических процессов на ВМ и даже о «шахматных способностях» вычислительных машин! Даже создание библиотек программ они тогда обсуждали…

Так почему же хотя бы разностная машина так и не была изготовлена Бэббиджем, хотя еще при его жизни было построено несколько действующих экземпляров других конструкторов?

Причин тут много, одна из них — технологическая. Тогда не умели обрабатывать металл с нужной степенью точности с достаточной производительностью — а машина Бэббиджа содержала не одну тысячу только зубчатых колес. Вероятно, и сейчас технологи призадумались бы над возможностью постройки такой машины. А тогда, как уже упоминалось, ему самому пришлось изобретать технологии производства.

Интересно, что, кроме всего прочего, процесс создания его машины привел к заметному прогрессу в области тогдашней металлообработки. В частности, при прямом участии Бэббиджа были созданы поперечно-строгальный, токарно-револьверный станки, калибры, методы изготовления зубчатых колес и даже была высказана идея стандартизации деталей при массовом производстве. На разностной машине оттачивал мастерство выдающийся механик XIX столетия Уинворт.

Другой причиной его неудачи был его упрямый характер. Бэббидж был совершенно по-английски «принципиально принципиален», а это не лучшее качество для того, кто желает получить поддержку официальных кругов. С Королевским обществом он рассорился еще в самом начале, упрямо выдвигая передовые, но неприемлемые для того времени идеи политического характера. С его президентом Дэви он разошелся в 1826 году, когда тот фактически предал его при выдвижении кандидатур на пост секретаря общества. Если Бэббиджу что-то не нравилось, он не стеснялся заявлять об этом во всеуслышание, и более того — пытался бороться до победного, даже в пустяках, типа запрещения деятельности уличных музыкантов. (Несомненно, профессор Челленджер и подобные ему литературные персонажи во многом срисованы с Бэббиджа.) Конечно, это портило его имидж в верхах. Просто удивительно, что несмотря на весь его максимализм (как водится, он часто не замечал за собой того чего требовал от других), у него все-таки было столько друзей. И — характерный штрих — его самолюбие и упрямство ни в коей мере не помешало ему всецело приветствовать появление действующей разностной машины шведских изобретателей Шютцев, что случилось уже в 1854 году. Впрочем, массовое производство разностных машин так никогда и не было налажено — слишком велика сложность и дешевле, очевидно, все-таки считать вручную.

Бэббидж был максималистом, думая, что можно преодолеть все трудности, было бы желание. Он шел от идеи к ее воплощению, нимало не считаясь с практическими возможностями своего времени. Это проявляется во всем, хотя бы в пресловутых 50 разрядах данных — такое число было востребовано на практике только в пятидесятых годах нашего столетия. Последний экземпляр разностной машины, построенный в 1933 году (потом уже началась эта ЭВМ) в той же Англии, значительно уступал разработке Бэббиджа. Принципы, заложенные им в конструкцию аналитической машины, вообще не могли найти воплощение в механической конструкции, а возможно, не могут и сегодня, когда биением в 10 микрон на валу метрового диаметра никого не удивишь. Но какое счастье, что он оказался таким «упертым», иначе мы были бы лишены одной из самых замечательных страниц в истории науки и техники.

В 1991 к 200-летию Бэббиджа Научный музей в Кенсингтоне, Англия, изготовил разностную машину по собственноручным чертежам Бэббиджа. В них были обнаружены лишь две ошибки.
В заключение хочется сказать, что Бэббидж не был фанатом одной идеи, пусть даже она была главным делом его жизни. Просто удивительно, сколь разносторонним был круг его интересов — кроме ВМ, он занимался: безопасностью движения на железнодорожном транспорте, световой сигнализацией для военных нужд, теорией функционального анализа, экспериментальными исследованиями электромагнетизма, вопросами шифрования, оптикой, геологией, религиозно-философскими вопросами, теорией и практикой машиностроения и многими, многими другими.

Наиболее знаменита книга Бэббиджа «Экономика машин и производства», высоко оцененная как современниками, включая К.Маркса, так и потомками. В этой книге он, в частности, придумал метод сетевых графиков и предвосхитил современное исследование операций. Он явился одним из основателей Лондонского статистического общества. В числе изобретений Бэббиджа находятся: спидометр, офтальмоскоп, солнечный коронограф, устройство для наведения артиллерийских орудий, сейсмограф… Но все-таки главным была аналитическая машина, которой он продолжал заниматься все годы, сохранив ясность ума до самой смерти — он всего год не дожил до своего восьмидесятилетия и чуть-чуть не застал самое начало новой электронной эры, которую можно считать начавшейся с изобретения телефона Беллом в 1875 году. Работу над аналитической машиной продолжил его сын Генри, но настоящее развитие его идеи получили сто лет спустя после появления той самой работы Ады Лавлейс.

Значение деятельности Бэббиджа и Лавлейс далеко не историческое. Их работы ни в коем случае не принадлежат к историческим курьезам, и, когда создавалась теория первых вычислительных машин, ее создатели уже знали, куда идти — за сто лет до того им была указана столбовая дорога, с которой никто так и не свернул. Конечно, были и продолжаются попытки создания компьютеров, основанных на других принципах, часто успешные (нейрокомпьютеры, квантовые компьютеры), но все, что мы видим в повседневной жизни — начиная от терминала на рабочем месте операционистки в Сбербанке и заканчивая «мозгами» мобильного телефона системы «Иридиум», — построено в основе точно так же, как это задумали один упрямый математик и одна светская молодая леди сто пятьдесят лет назад…

Юрий Ревич



См. также:
Преимущества онлайн-казино
Как заработать на игровых автоматах
Несколько советов по выбору интернет-казино
Как найти надежное интернет-казино
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
Для вас со скидками лом черных металлов без дополнительной оплаты.
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005