Чарльз Бэбидж (1791—1871)

Заключение

В истории вычислительной техники роль Ёэбиджа особая. Всю историю вычислительных машин можно разбить на следующие периоды: 1) домеханический; 2) меха* нический; 3) электрический; 4) электронный. Творчество Бэбиджа по времени приходится на механический период развития вычислительных машин. В его машинах все элементы механические, основной способ передачи любых движений — зубчатые передачи, движущей силой является механическое усилие человека и т. п. В этом Бэбидж — типичный представитель механического периода. Но задачи, которые он поставил при работе над вычислительными машинами, далеко перешагнули этот период.

Получается следующая картина: на механической основе Бэбидж пытался создать машину, соответствующую электронному периоду. Это несоответствие и явилось причиной ряда неудач Бэбиджа. Это же несоответствие подчеркивает гениальность Бэбиджа: задолго до возникновения электронных вычислительных машин он разработал принципы построения машин, основные их узлы, установил возможности вычислительных машин и предсказал пути их дальнейшего развития.

При изучении творчества Бэбиджа поражает даже простое перечисление проблем, которые он поставил и пытался разрешить, одни более успешно, другие менее, в аналитической машине: 1) разработка основного состава блоков; 2) планирование большого объема памяти; 3) разделение арифметического и запоминающего устрой- ‘ ства; 4) применение изменяемой программы вычислений;

5) передача управления с помощью условного перехода;

6) работа с адресами и кодами команд; 7) контроль считыванием; 8) наличие библиотеки подпрограмм; 9) применение перфокарт, печатание данных ввода и вывода и некоторые другие.

Только через 100 лет были осуществлены основные идеи Бэбиджа. Мы не ставим своей целью подробно останавливаться на истории развития вычислительных машин последних десятилетий. Но для того, чтобы подчеркнуть значение работ Бэбиджа, кратко остановимся на некоторых моментах этой истории.

В 1937 г. английский математик А. М. Тьюринг обосновал возможность построения машины с программным управлением, предложив самую общую и самую простую, с точки зрения логической структуры, идею вычислительной машины. Введенное Тьюрингом понятие такой машины получило название «машины Тьюринга». Это понятие явилось, фактически, одним из наиболее естественных и удобных уточнений понятия алгоритма [1 О машине Тьюринга см., напр.: Айзерман М. А., Гусев Л. А., Розоноэр Л. И. Логика, автоматы, алгоритмы. М.: Физматгиз, 1963.].

В 1938 г. Дж. Стибиц построил небольшую вычислительную машину, работающую в двоичной системе счисления, способную оперировать с комплексными числами (Белл-1). Одна из первых попыток использовать электронные элементы в ЦВМ была предпринята в США в 1939—1941 гг, в колледже-штата Айова (ныне университет) Дж. Атанасовым. Машина Атанасова предназначалась для решения систем алгебраических уравнений с 30 неизвестными. Исходные данные вводились на стандартных перфокартах. Для запоминания информации использовались конденсаторы. Промежуточные результаты записывались на перфокарты. К моменту вступления США в войну (7 декабря 1941 г.) были закончены основные блоки машины. В 1942 г. работы были прекращены, но спустя несколько лет машина была доработана.

Вычислительную машину с программным управлением, работающую полностью на механических элементах, сконструировал немецкий ученый К. Цузе (машина Ц-1). Работа над машиной была начата в 1936 г. и продолжалась два года. В следующем варианте (Ц-2), который не был завершен в связи с тем, что гитлеровская Германия развязала вторую мировую войну, Цузе использовал электромагнитные реле. В 1941 г. Цузе закончил работу, которая финансировалась военным министерством, над машиной Ц-3. Эта машина, выполненная полностью на электромагнитных реле, явилась первой универсальной автоматической ЦВМ с программным управлением. Но работы Цузе были неизвестны за пределами Германии, и ученые других стран ознакомились с ними только спустя некоторое время после окончания второй мировой войны.

Более известна вычислительная машина, разработанная в 1944 г. в вычислительной лаборатории Гарвардского университета под руководством Г. Айкена. Эта машина, которая впоследствии получила название МАРК-1, по принципу действия, своим функциям, применяемой десятичной системе счисления и другим показателям напоминала аналитическую машину Бэбиджа. Айкен утверждал, что он познакомился с машиной Бэбиджа только после трехлетних трудов по разработке МАРК-1.

По своей конструкции и использованию электромагнитных реле МАРК-1, естественно, отличалась от аналитической машины, созданной на чисто механических принципах. Это иногда вызывает недоумение: могут ли быть у МАРК-1 и аналитической машины одни и те же структурные принципы? Тьюринг по этому поводу замечает: «То, что аналитическая машина Бэбиджа была задумана как чисто механический аппарат, помогает нам избавиться от одного предрассудка. Часто придают значение тому обстоятельству, что современные цифровые машины являются электрическими устройствами. . . но поскольку машина Бэбиджа не была электрическим аппаратом и поскольку в известном смысле все цифровые вычислительные машины эквивалентны, становится ясно, что использование электричества в этом случае не может иметь теоретического значения» [101, с. 27].

Мы не будем останавливаться на подробной характеристике МАРК-1. Но отметим, что емкость памяти машины была на порядок меньше величины, запроектированной в свое время Бэбиджем. Кроме того, признак условного перехода в МАРК-1 вел к выбору перфолент с числами, соответствующими различным областям изменения аргумента, или к останову программ при увеличении числа в специальном регистре сверх заданного. Только впоследствии была введена команда условного перехода с выходом на продолжение операций или повторение цикла, как предусматривали Лавлейс и Бэбидж. Конечно, ряд показателей МАРК-1 был лучше, чем у машины Бэбиджа; в первую очередь это относится к скорости выполнения операций, затем к управлению, которое велось по программе, записанной на перфоленте, и др.

После работ Цузе, Айкена, Стибица и других были разработаны и испытаны первые машинные программы. Вначале использовали перфокарты с механическими щупами как у машины Бэбиджа. Впоследствии была введена электромеханическая система считывания, а затем и фотосчитывание.

Электромеханические машины быстро исчерпали свои возможности и перестали удовлетворять требованиям производства из-за ограниченной скорости вычислений и малой надежности. Недостаточная скорость объяснялась большой постоянной времени реле (обычно около 15 мсек), малая надежность — подгоранием контактов многочисленных реле, необходимостью их чистки, то есть техническими особенностями элементной базы машины. Принципиальные ограничения, органически присущие электромеханическим машинам, не могли быть разрешены с помощью новых конструктивных разработок, так как основные элементы при этом оставались теми же. Требовался переход к принципиально иной первичной ячейке машины. Он был подготовлен бурным развитием радиоэлектроники, которая к 50-м годам стала широко внедряться в различные отрасли техники.

Н. Винер писал: «Со всех точек зрения казалось желательным заменить механическую систему выбора, осуществляемую в старых цифровых машинах, электронной. Можно было ожидать, что в результате такой замены новые машины окажутся. . . более совершенными, чем старые» [94, с. 222].

Началось чрезвычайно широкое использование электронных ламп в различных областях промышленности. Это привело к внедрению электроники и в вычислительную технику. В результате оказалось возможным резко повысить быстродействие машин, так как скорость переключения практически безынерционных ламповых реле (триггеров) в 5000 раз превысила скорость переключения электромагнитных реле. Введение триггеров повысило также надежность схем (электромагнитные реле всего выдерживают около миллиона переключений, в то время как качественные электронные реле делают до 1 млн. переключений в секунду). Кроме того, использование триггеров уменьшило потребность в энергии, устранило механические движущие части в машине и т. п. Следует отметить, что применение ламповой электроники при разработке средств вычислительной техники оказалось возможным в результате изобретений схемы триггера советским ученым М. А. Бонч-Бруевичем в 1918 г. и американскими учеными У. Икклзом и Ф. Джорданом в 1919 г,-

Первая электронная вычислительная машина общего назначения ЭНИАК была разработана Дж. Маучли и Дж. Эккертом в Электротехнической школе Мура при Пенсильванском университете (США). Проект ЭНИАК был представлен в августе 1942 г. и около года лежал без движения. В 1943 г. проектом заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория Армии США, и были начаты работы по его осуществлению. В конце 1945 г. работы были завершены. В феврале 1946 г. состоялась первая публичная демонстрация машины, а в 1947 г. она была передана Баллистической лаборатории.

Создание электронной цифровой вычислительной машины ЭНИАК явилось переломным этапом в развитии вычислительной техники. Опыт эксплуатации первых машин привел к пониманию их огромных преимуществ, а способность машин быстро решать трудоемкие задачи позволила в дальнейшем совершить переворот в применении математики к важнейшим проблемам науки и техники.

Наряду с большими достоинствами ЭНИАК, естественно, были присущи и недостатки: сложность структуры, громоздкость, работа в десятичной системе счисления, сложность наладки машины, малая емкость запоминающего устройства и т. п. Все это уже не удовлетворяло растущим запросам науки и практики в период научно- технической революции. Поэтому в последующие годы вычислительные машины развивались очень быстро.

Мы приводим таблицу некоторых характеристик аналитической машины Бэбиджа, машин Ц-3, МАРК-1 и ЭНИАК. Поскольку дальнейшая история вычислительных машин выходит за пределы задач нашей книги, мы отсылаем читателя к соответствующей историко-научной литературе [91, 95].

Каждое новое открытие в современной науке заставляет по-новому смотреть на достижения прошлых веков. Если в конце прошлого и начале нашего века имя Бэбиджа было почти забыто, а его работы не были оценены и поняты, то с развитием ЭВМ интерес к его работам и личности возрос.

Бэбидж предстает перед нами как гениальный ученый, во многом предвосхитивший развитие вычислительной техники, ставшей важнейшим проявлением современной научно-технической революции.