Истоки компьютерной революции

У ИСТОКОВ КОМПЬЮТЕРНОЙ РЕВОЛЮЦИИ

 

 

 

В

 

о все времена людям нужно было считать. В туманном доисторическом прошлом они считали на пальцах или делали насечки на костях. Примерно около 4000 лет назад, на заре человеческой цивилизации, были изобретены уже довольно сложные системы счисления, позволявшие осуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Несколько тысячелетий спустя появились первые ручные вычислительные инструменты. А в наши дни сложнейшие вычислительные задачи, как и множество других операций, казалось бы, не связанных с числами, решаются при помощи “электронного мозга”—компьютера.

 

            Закладка фундамента компьютерной  революции происходила медленно  и далеко не гладко. Отправной  точкой этого процесса можно считать изобретение счетов, сделанное более 1500 лет назад, по-видимому, в странах Средиземноморья. Этим нехитрым устройством купцы пользовались для своих расчетов. Счеты оказались очень эффективным инструментом и вскоре распространились по всему свету, а в некоторых странах применяются и по сей день. Вплоть до XVII в., ознаменовавшегося невиданным подъемом творческой мысли, счеты как вычислительный инструмент оставались практически вне конкуренции.

 

            Заметный след в истории оставило  изобретение Джоном Непером логарифмов, о чем сообщалось в публикации 1614 г. Его таблицы, расчет которых требовал очень много времени, позже были “встроены” в удобное устройство, чрезвычайно ускоряющее процесс вычисления,—логарифмическую линейку; она была изобретена в конце 1620-х годов. В 1617 г. Непер придумал и другой способ перемножения чисел. Инструмент, получивший название “костяшки Непера”, состоял из набора сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах, мы получали результат их умножения.

 

            Теории логарифмов Непера суждено  было найти обширное применение. Однако его “костяшки” вскоре  были вытеснены логарифмической  линейкой и другими вычислительными устройствами—в основном механического типа,—первым изобретателем которых стал гениальный француз Блез Паскаль. Сын сборщика налогов, Паскаль задумал построить вычислительное устройство, наблюдая бесконечные утомительные расчеты своего отца. Суммирующая машина Паскаля, “паскалина”, представляла собой механическое устройство—ящик с многочисленными шестеренками. Всего приблизительно за десятилетие он построил приблизительно 50 различных вариантов машины. Хотя “паскалина” вызвала всеобщий восторг, она не принесла изобретателю богатства. Тем не менее изобретенный им принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство вычислительных машин на протяжении следующих трех столетий.

 

            Основной недостаток “паскалины”  состоял в неудобстве выполнения на ней всех операций, за исключением простого сложения. Первая машина, позволявшая легко производить вычитание, умножение и деление, была изобретена позже в том же XVII в. в Германии. Заслуга этого изобретения принадлежит Готфриду Вильгельму Лейбницу.

 

            В 1672 г., находясь в Париже, Лейбниц  познакомился с голландским математиком  и астраномом Христианом Гюйгенсом. Видя, как много вычислений приходится  делать астроному, Лейбниц решил  изобрести механическое устройство, которое облегчило ба расчеты. “Поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины.”

 

            В 1673 г. он изготовил механический  калькулятор. Но прославился он прежде всего не этой машиной, а созданием дифференциального и интегрального исчисления. Он заложил также основы двоичной системы счисления, которая позднее нашла применение в автоматических вычислительных устройствах.

ТКАЦКОЕ НАСЛЕДИЕ

 

            Следующая ступень развития вычислительных  устройств как будто не имела  ничего общего с числами, по  крайней мере вначале. На протяжении  всего XVIII в. на французских фабриках  по производству шелковых тканей  велись эксперименты с различными  механизмами, управляющими станком при помощи перфорационной ленты, перфорационных карт или  деревянных барабанов. Во всех трех системах нить поднималась или опускалась в соответсвии с наличием или отсутствием отверстий—так создавался желаемый рисунок ткани. В 1804 г. инженер Жозеф Мари построил полностью автоматизированный станок, способный воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка программировалась при помощи целой колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. Станок Жаккарда (так его принято называть в нашей стране) вызвал настоящую революцию в ткацком производстве, а положенные в его основу принципы используются и по сей день.

 

            Из всех изобретателй прошлых  столетий, внесших тот или иной  вклад в развитие вычислительной  техники, ближе всего к созданию компьютера в современном его понимании подошел англичанин Чарльз Бэббидж.

ГРАНДИОЗНЫЕ ПЛАНЫ И РАЗБИТЫЕ НАДЕЖДЫ

 

            В 1822 г. Бэббидж опубликовал научную  статью с описанием машины, способной  рассчитывать и печатать большие математические таблицы. В том же году он построил пробную модель своей Разностной машины, состоящую из шестеренок и валиков, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Затем, заручившись поддержкой Королевского общества—самой престижной научной организации Великобритании,—он обратился к правительству с просьбой финансировать создание полномасштабной работающей машины.

 

            На протяжении следующего десятилетия  Бэббидж без устали работал  над своим изобретением. Первоначально  он рассчитывал завершить ее за три года, но Разностная машина становилась все сложнее по мере того, как он ее модифицировал, совершенствовал и конструировал заново.

 

            В 1833 г. Бэббидж уже был готов  отказаться от своих планов. Однако, продолжая размышлять на ту же тему, он пришел к идее создания еще более мощной машины. Аналитическая машина в отличие от своей предшественницы должна была не просто решать математические задачи одного определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. В действительности это ни что иное, как первый универсальный программируемый компьютер. Но если Разностная машина имела сомнительные шансы на успех, то Аналитическая машина и вовсе выглядела нереалистичной. Ее просто невозможно было построить и запустить в работу. В своем окончательном виде машина должна была быть не меньше железнодорожного локомотива. Ее внутренняя конструкция представляла собой беспорядочное нагромождение стальных, медных и деревянных деталей, часовых механизмов, приводимых в движение паровым двигателем. Малейшая нестабильность какой-нибудь крошечной детали приводила бы к стократно усиленным нарушениям в других частях, и тогда вся машина пришла бы в бешенство.

 

            Аналитическая машина так и не была построена. Все, что дошло от нее до наших дней,—это ворох чертежей и рисунков, а также небольшая часть арифмитического устройства и печатающее устройство, сконструированное сыном Бэббиджа.

 

            Лишь через 19 лет спустя после  смерти Бэббиджа один из принципов, лежащий в основе Аналитической машины,—использование перфокарт—нашел воплощение в действующем устройстве. Это был статистический табулятор, построенный американцем Германом Холлеритом с целью ускорить обработку результатов переписи населения США в 1890 г. Холлерит был удостоен нескольких премий, получил немало похвал и звание профессора в Колумбийском университете. Он организовал фирму по производству табуляционных машин “Tabulating Machine Company” и продавал их железнодорожным управлениям и правительственным учреждениям.

 

            Предприятию Холлерита сразу  же сопутствовал успех, и в  дальнейшем оно становилось все  более преуспевающим. С годами  оно претерпело ряд изменений—слияний  и переименований. Последнее такое  изменение произошло в 1924 г., за 5 лет до смерти Холлерита, когда он создал фирму IBM (International Business Machines Corporation). Теперь, спустя столетие с того времени, когда Чарльз Бэббидж героически трудился над созданием Аналитической машины, IBM является крупнейшей в мире промышленной фирмой, воплотившей в жизнь его мечту о “машине самого универсального характера”.

ВОЗМОЖНОСТИ ДВОИЧНОГО КОДА

 

 

О

 

дним из первых заинтересовался двоичной системой гениальный немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц, который, однако, подошел к ней окольным путем. В 1666 г., заканчивая университет—еще задолго до изобретения механического калькулятора,—двадцатилетний Лейбниц набросал работу “Искусство Составления комбинаций”, которую скромно охарактеризовал как “сочинение школьника”. В этой работе были заложены основы общего метода который позволяет свести мысль человека—любого вида и на любую тему—к совершенно точным и формальным высказываниям. Таким образом, открывалась возможность перевести логику из словесного царства, полного неопределенностей, в царство математики, где отношения между объектами или высказываниями определяются совершенно точно. В дополнение к своему предложению сделать все рациональное мышление математически строгим, Лейбниц призвал к принятию “общего языка, бесконечно отличающегося от всех существовавших до сих пор, поскольку символы и даже слова его должны направлять наш разум, а ошибки, кроме тех, что заложены в исходных фактах, будут просто ошибками вычислений. Построить или изобрести такой язык или такие понятия очень трудно, но зато он будет легко понятен без всяких словарей”.

РАЗВИТИЕ ДВОИЧНОЙ СИСТЕМЫ

 

            Современники ученого оставили  работу без внимания, да и сам  Лейбниц, по-видимому, не стал развивать  идею нового языка. Однако десятилетие  спустя он занялся исследованием законов применительно к новой области—двоичной системе счисления. Лейбниц терпеливо исследовал бесконечные комбинации нулей и единиц, формализуя найденные им закономерности и закладывая тем самым основы современной двоичной системы.

 

            Однако при всей своей гениальности  Лейбниц так и не смог найти  полезного применения полученным  результатам. Изобретенный им механический  калькулятор предназначался для  работы с десятичными числами, и Лейбниц не стал переделывать  его под двоичные числа.

 

            Однако спустя более ста лет  после смерти Лейбница (1716) английский  математик-самоучка Джордж Буль  энергично принялся за поиски  универсального языка. В 1847 г. Буль  написал важную статью на тему  “Математический анализ логики”, а в 1854 г. развил свои идеи в работе под названием “Исследование законов мышления”. Эти основополагающие труды Буля внесли революционные изменения в логику как науку.

 

            Буль изобрел своеобразную алгебру—систему  обозначений и правил, применимую  ко всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений. Пользуясь этой системой, Буль мог закодировать высказывания—утверждения, истинность или ложность которых требовалось доказать,—с помощью символов своего языка, а затем манипулировать ими подобно тому, как в математике манипулируют обычными числами.

 

            Большинство логиков того времени  либо игнорировали, либо резко  критиковали систему Буля, но  ее возможности оказались настолько  велики, что она не могла долго  оставаться без внимания. Американский  логик Чарльз Сандерс Пирс познакомил в 1867 г. с булевой алгеброй американскую научную общественность, кратко изложив существо этой системы в своем докладе для Американской академии наук и искусств. На протяжении двух последующих десятилетий Пирс затратил немало времени и сил, модифицируя и расширяя булеву алгебру. Внедрив булеву алгебру в курсы логики и философии в американских университетах, Пирс посеял семена, которые дали богатые всходы полстолетия спустя. В 1936 г. выпускник американского университета Клод Шеннон, которому было тогда всего 21 год, сумел ликвидировать разрыв между алгебраической теорией и ее практическим применением.

КАК ТЕОРИЮ СВЯЗАТЬ С ПРАКТИКОЙ

 

            В то время Шеннон только  перешел в Массачусетский технологический  университет. Желая подработать, Шеннон выполнял обязанности оператора на неуклюжем механическом вычислительном устройстве под названием “дифференциальный анализатор”, который построил в 1930 г. научный руководитель Шеннона профессор В. Буш. Это была первая машина, способная решать сложные дифференциальные уравнения, которые позволяли предсказывать поведение таких движущихся объектов, как самолет, или действие гравитационного поля. На решение таких уравнений вручную уходили иногда целые месяцы. Однако машина обладала рядом недостатков. Прежде всего—ее гигантские размеры: механический анализатор Буша представлял собой сложную систему валиков, шестеренок и проволок, соединенных в серию больших блоков, которые занимали целую комнату. Чтобы поставить машине задачу, оператор вынужден был вручную подбирать множество шестереночных передач, на что уходило 2—3 дня. При любом измерении параметров задачи оператору приходилось изрядно потрудиться и перепачкаться в машинном масле.

 

            В качестве темы диссертации  Буш предложил Шеннону изучить логическую отганизацию своей машины. По мере того, как Шеннон все глубже вникал в устройство машины, у него росло настойчивое желание усовершенствовать ее. Вспомнив Булеву алгебру, которую он изучал еще студентом, Шеннон поразился ее сходством с принципом работы электрических схем. Постепенно у Шеннона стали вырисовываться контуры устройства компьютера. Если построить электрические цепи в соответствии с принципами булевой алгебры, то они могли бы выражать логические отношения, определять истинность утверждений, а также выполнять сложные вычисления. Электрические схемы, очевидно, были бы гораздо удобнее шестеренок и валиков, щедро смазанных машинным маслом. Свои идеи Шеннон изложил в докторской диссертации в 1938 г.