Ранние вычислительные машины — история преодоления

Еще совсем недавно в любом магазине, от столицы до глубокой провинции, непременным атрибутом торговли служили счёты. А учет проданных товаров и списки должников велись при помощи толстенной тетрадки, от руки. Налоговая принимала декларации на дискетах, а вместо интернета и стриминговых сервисов было «одно сплошное телевидение».

Прошло совсем немноговремени — и мы оказались в дивном новом мире. Оплатить товар на кассе можно улыбкой. Продуктопровод, о котором мечтали читатели Кира Булычева, получил реализацию в виде курьерской доставки в любое время суток. А вместо телевидения у нас… впрочем, не будем о грустном.

В сознании обывателей, привыкших к благам цифровизации, история развития технологий выглядит примерно так:

1. В глубокой древности люди изобрели цифры, чтобы вести подсчет ракушек и овец.

2. Появились счеты-абаки, узелки и методы быстрой калькуляции на пальцах.

3. Далее следует период в пару тысяч лет, в течение которого появились. философия, греческий огонь, а также немножко математики и геометрии.

4. Исаак Ньютон изобрел силу тяжести и первый закон термодинамики, после чего отравился ртутью, добывая философский камень.

5. ХХ век, появились транзисторы, микропроцессоры, Python и кассы самообслуживания.

6. Наступили наши дни, и даже самокаты сделались умнее некоторых потенциальных наездников.

Разумеется, всё это шутки. Однако, чем дальше мир уходит вперед, тем сложнее обернуться и посмотреть на технологии прошлого глазами их современников. А словосочетание «вычислительная машина» отсылает в лучшем случае к середине ХХ века и навевает полузнакомое слово «арифмометр».

В реальности же первые аналоговые вычислительные машины появились еще до нашей эры. В этой статье мы хотим пролить свет на историю их появления, решаемые ими задачи и связать два мира вычислительных устройств — современный цифровой и многогранный аналоговый.

Антикитерский механизм

В начале ХХ века у берегов греческого острова Антикитера в Эгейском море было обнаружено затонувшее судно, предположительно следовавшее с острова Родос. Среди прочих находок, более-менее классических для останков кораблекрушения (статуи, домашняя утварь и мебель), обнаружился сильно поврежденный бронзовый механизм.

В ходе его исследования стало понятно, что это весьма сложное устройство со множеством шестеренок, стрелками и двумя циферблатами. Его полная «расшифровка» с учетом степени повреждений заняла у ученых более 100 лет.

Экспедиция Жака-Ива Кусто 1976 года позволила определить приблизительную дату изготовления прибора — 85 год до н.э. (позднее дату скорректировали и отнесли к 100-150 годам до н. э.).

Развитие методов исследования позволило весьма точно воссоздать устройство целиком. Оказалось, что прибор был способен предсказывать движение небесных тел (Луны, Солнца и 5 известных на тот момент планет), в том числе время и цвет затмений. Что еще более примечательно, устройство учитывало эллиптичность орбиты движения Луны, используя синусоидальную поправку. Всего же при помощи греческого механизма было возможно предсказать до 42 астрономических явлений и, например, скорректировать курс корабля в зависимости от сопряженных с ними метеорологических условий. Здесь стоит сделать оговорку и уточнить, что вычисления, производимые прибором, были актуальны для 35-й параллели, на которой как раз и лежит Родос.

С некоторой натяжкой антикитерский механизм можно назвать праотцом современного бортового компьютера. Это и календарь, и картографическое устройство в одном флаконе. Вкупе с астролябией, навигационным прибором, первые упоминания о котором датируются VII веком до н. э., становилось возможным не только прокладывать курс корабля, но и (с переменным успехом, конечно же) корректировать его в зависимости от движения небесных тел и погоды.

Стоит отметить, что антикитерский механизм не уникален в своем роде. Подобные ему устройства со сходной датировкой, но преимущественно гораздо более примитивные, выставлены во многих музеях мира.

Мы отдельно рассказали про него в этой статье, чтобы продемонстрировать следующий факт: люди прошлого точно так же грезили созданием «умных» устройств, упрощающих не только познание мира, но и жизнь в нем. Способность изобретать никак не зависит от эпохи — разве что в наши дни возможностей для этого стало кратно больше. К тому же редкая статья про АВМ обходится без упоминания древних греков – а традиции надо уважать.

В качестве компенсации приведем в этом разделе еще несколько сходных по назначению механизмов.

Армиллярная сфера: оригинал и китайская «подделка»

Была независимо изобретена сначала в Древней Греции (приписывается Эратосфену), а чуть позднее в Китае. Служила для определения экваториальных или эклиптических координат небесных светил. Прибор использовался по всему миру вплоть до 1900-х годов, пока не был вытеснен более точными и удобными в использовании инструментами.

Из интересного — сфера изображена на гербе Португалии. Также армиллярная сфера венчает шпиль Кунсткамеры в Санкт-Петербурге.

Колесница, указывающая на юг и аналоговые навигаторы

Это устройство с необычным названием считается первым навигационным прибором, построенным на принципе обратной связи. Представляло из себя колесницу с установленной наверху фигуркой мужчины. Вне зависимости от вращения повозки и пройденного пути фигура всегда указывала рукой в заданном направлении (не обязательно на юг). По легенде, самая первая «колесница» была изобретена в 2634 году до н. э. Желтым императором Хуан-Ди и сконструирована мастером Фэн-Хоу. Однако гораздо более вероятно изобретение «колесницы» около 1115 года до н. э.

В чем примечательность изобретения? Фактически это первый немагнитный компас. Дифференциальная система интегрирует разницу во вращении колёс и таким образом определяет поворот колесницы. Механизм же компенсирует эту разницу, вращая указатель в обратном направлении.

Позднее «колесница» неоднократно переизобреталась и совершенствовалась. Как правило, колесницы изготавливались по заказу высокопоставленных чиновников или в подарок. Реже – в военных целях. По некоторым свидетельствам, самые нерадивые «изобретатели» и вовсе сажали внутрь повозки специально обученного человека с компасом, который вручную задавал поворот указующей руки.

А сам принцип обратной связи в ХХ веке был применен в устройствах Iter Avto и Honda Electro Gyro-Cator. Оба устройства «заправлялись» специальными картами, отпечатанными на бумаге или пленке. Водителю требовалось установить начальную точку движения, подходящую карту и двинуться в путь. Iter Avto использовал информацию от спидометра, чтобы прокручивать карту одновременно с движением автомобиля. Соответственно, корректно работать «навигатор» мог только при условии движения автомобиля по прямой. Gyro-Cator, чуть более совершенный аппарат, предполагал использование гироскопа и позволял определить местоположение автомобиля даже с учетом изменения траектории движения.

Справедливости ради, ни одна из этих систем не получила коммерческого успеха. Лишь в эпоху GPS навигационные системы получили широкое распространение среди обычных автовладельцев.

С уходом античности интерес к созданию сложных механических устройств, имевших научное применение, потихоньку сошел на нет. Частично это объясняет разрыв в полторы тысячи лет между антикитерским механизмом и более новыми, но сопоставимыми по сложности вычислительными устройствами.

Чтобы у читателей не создалось ощущение, что в средние века люди только и делали, что ходили в крестовые походы и умирали от чумы, мы коротко пройдемся по основным достижениям этого времени:

• Роджер Бэкон изобрел очки.

• На городских ратушах устанавливаются механические часы.

• В постоянный обиход вошли бумага, чернила и перья.

• Архитектура не стоит на месте: готические соборы впервые смогли обогнать по высоте пирамиду Хеопса.

• Металлообработка выходит на новый уровень — дамасская сталь, доменные печи. Благодаря этому появляются первые образчики огнестрельного оружия – пушки с чугунными стволами и ядрами.

• Повсеместно появляются водяные и ветряные мельницы. Более того, энергия ветра и воды стала использоваться не только для помола зерна, но и в ряде мануфактурных производств, от дробления руды до приведения в движение кузнечных мехов.

• Существенно усовершенствован водный транспорт.

Логарифмическая линейка и считающие часы

Следующая остановка – эпоха Возрождения. Изобретение книгопечатания позволило людям эффективно накапливать знания и делиться ими. Восстановив научные знания античности (и частично переизобретя некоторые технологии), человечество приступило к совершению новых открытий.

В контексте статьи нам будет интересно одно из первых (ок. 1500 года нашей эры) механических счетных устройств, предложенное Леонардо Да Винчи в Codex Madrid, собрании сочинений, посвященных механике. Это 13-разрядное суммирующее устройство с десятизубыми кольцами. Вероятно, счетчик предполагалось использовать в другом, еще более сложном механизме. Тем не менее, у современников идея существенного отклика не вызвала.

В 1623 году немецкий ученый Вильгельм Шиккард изобрел «считающиечасы» — первый в мире арифмометр. Почему именно часы? Всё просто: в механизме устройства использовались звездочки и шестеренки – как в настоящих часах. Устройство могло выполнять четыре базовых арифметических операции над 16-разрядными числами.

Что примечательно, нет достоверной информации, удалось ли кому-то собрать работоспособную версию арифмометра при жизни ученого. Известно, что Шиккард отправлял Иоганну Кеплеру, своему другу и коллеге, чертежи изобретения. Было построено два экземпляра машины (один предназначался как раз-таки Кеплеру), но оба сгорели во время пожара.

Сами же чертежи арифмометра потерялись в ходе тридцатилетней войны. Обнаружить их удалось только в 1935 году — но во время второй мировой войны они снова бесследно исчезли.

Ближайшему «последователю» Шиккарда, Блезу Паскалю, повезло чуть больше. Работу над своей суммирующей машиной, «Паскалиной», он начал в возрасте 19 лет в 1642 году и продолжал в течение десятилетия. По словам Паскаля, вдохновением ему послужила работа отца: тот был сборщиком налогов и нередко проводил вечера за утомительными и сложными расчетами.

Машина Паскаля снискала немало восторженных отзывов, но дальше дело не пошло. Изобретатель собрал примерно 50 версий своей машины – и смог продать около дюжины из них. Устройство было чрезвычайно сложным, цена – высокой, а возможности машины — весьма скромными.

К тому же до XIX века денежная система Франции не была десятичной, поэтому ни одна счетная машина не могла удовлетворить нужды рынка. Расчёты велись в ливрах, су и денье. В ливре насчитывалось 20 су, в су — 12 денье. Использование десятичной системы в недесятичных финансовых расчётах усложняло и без того нелёгкий процесс вычислений.

Однако заложенный в «Паскалину» принцип связанных колес применялся в большинстве подобных устройств еще три столетия кряду.

В 1673 году Готфрид Лейбниц, философ и математик, разработал собственный вариант десятичной счетной машины. В отличие от предшественников, это устройство могло производить операции умножения и деления путем автоматического повтора операций сложения.

Коммерческого успеха машина Лейбница также не снискала ни на родине, ни за рубежом. Известно, что одна из ранних копий машины попала в руки Петру I. А предложенный Лейбницем «шагающий цилиндр», известный также как «колесо Лейбница», использовался в механических арифмометрах вплоть до конца XX века.

Помимо сложных механических счетных машин, в XVII веке появилось еще одно устройство, наверняка знакомое всем читателям. Это логарифмическая линейка. О принципе работы с ней можно прочитать… пожалуй, где угодно.

Первый прототип линейки был предложен астрономом Эдмундом Гантером. Для проведения расчетов требовалось нанести на линейку логарифмическую шкалу и обзавестись сразу двумя циркулями. Но такой подход требовал слишком много внимания к процессу, иначе в расчеты могла закрасться ошибка. В 1620-е годы другой британский ученый, Эдмунд Уингейт, усовершенствовал изобретение Гантера и ввел 2 дополнительные шкалы. Одновременно с Уингейтом свой вариант линейки, практически не отличающийся от современного, представил в трактате «Круги пропорций» Уильям Отред. К середине XIX века линейка обрела законченный вид, получив вторую подвижную часть и бегунок.

Примечательно, что в ХХ веке ввиду необходимости проводить более точные расчеты появился «десктопный» вариант логарифмической линейки – настольные счетные вальцы.

В наши дни логарифмическая линейка практически полностью вытеснена электронными калькуляторами – они быстрее, удобнее и не требуют специальных знаний для проведения подсчетов. Единственное, пожалуй, исключение — линейка, выполненная в виде подвижных колец, на некоторых современных марках наручных часов. Но в большинстве случаев это уже, скорее, дань моде, нежели практичный аксессуар.

Перфокарты, непременный атрибут ранних ЭВМ, были изобретены в начале XIX века.

В 1804 году Жозеф Мари Жаккар создал ткацкий станок, который использовал перфокарты для определения узора. Если раньше замена узора требовала переустройства станка целиком, то теперь для этого нужно было всего лишь установить нужную перфокарту.

В 1832 году Семен Корсаков применил перфорированные карты в своих «интеллектуальных машинах», предшественниках современных баз данных и экспертных систем. Так, например, выглядел его гомеоскоп для подбора лекарств.

В 1890 году Бюро Переписи США использовало перфокарты и табуляторы Германа Холлерита для обработки данных переписи. Компания Холлерита в конечном итоге сформировала ядро будущей IBM.

Изыскания Чарльза Бэббиджа

Передохнули? Возвращаемся к настоящим серьезным мужским счетным машинам!

В 1822 году Чарльз Бэббидж опубликовал описание своей разностной машины, которая должна была вычислять значения многочленов до шестой степени. Получив поддержку Королевского общества и субсидию от правительства Великобритании, он начал практическую работу над проектом.

Здесь стоит отметить, что оригинальная идея машины вполне могла быть заимствована Бэббиджем у Иоганна Мюллера: тот предложил концепцию разностной машины в 1788 году. Несмотря на то, что Бэббидж знал о его работе, неясно, вдохновлялся ли он ею напрямую. Есть вероятность, что с работами Мюллера он ознакомился в переводе, подготовленном уже после начала работы над машиной. Точно известно, что Бэббидж заимствовал основные идеи у Гаспара де Прони, французского математика, которому в период перехода на метрическую систему было поручено выверить и улучшить логарифмические тригонометрические таблицы.

Гаспар де Прони предложил систему, состоящую из трёх уровней: математики выводили математические выражения, пригодные для численных расчетов, вторая группа вычисляла значения функций для аргументов, отстоящих друг от друга на 5-10 интервалов, а многочисленные «вычислители» рутинно складывали и вычитали результаты по заранее известным формулам. Бэббидж задумал автоматизировать работу «вычислителей» на третьем уровне. Однако сложность реализации привела к тому, что работа над машиной отняла гораздо больше времени и средств, чем предполагалось. Бэббидж закладывал на разработку машины всего 3 года, пообещав изготовить полномасштабный прототип к 1825 году. Однако даже через 9 лет проект не был закончен, и его пришлось свернуть. Финансирование от правительства неуклонно уменьшалось, а сам Бэббидж заслужил славу дотошного и авторитарного человека, склонного к обидам и спорам. Кроме того, машина предполагала изготовление деталей высочайшей точности, поэтому масла в пожар, охвативший работу над устройством, подливали и бесконечные разбирательства с исполнителями. Всё это послужило отправной точкой для дискуссий о работоспособности изобретения Бэббиджа в частности и его состоятельности как изобретателя в целом.

К двухсотлетию со дня рождения Бэббиджа в лондонском Музее науки удалось собрать работающую копию разностной машины второй версии (над ней изобретатель трудился в 1847–1849 гг.), а также специальное печатающее устройство к ней. После устранения малозначительных внеточностей машина заработала безупречно. Доброе имя Бэббиджа было восстановлено.

Еще один проект Бэббиджа, так и не построенная «Аналитическая машина», фактически предвосхитил появление современных цифровых компьютеров. Но, как это часто случается, идеи изобретателя значительно опередили технологии его времени. Машина не получила физического воплощения: сложность конструкции, внушительные размеры (как минимум, с целый паровоз) и дороговизна изготовления не оставили изобретению ни единого шанса.

Бэббидж разработал единый логический механизм, объединив в нем арифметическое устройство («мельница»), память («склад») и устройство ввода-вывода, которое работало с тремя типами перфокарт.

• Перфокарты операций позволяли переключаться между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. 

• Перфокарты переменных управляли передачей данных между памятью и арифметическим устройством. 

• Числовые перфокарты использовались для ввода данных и сохранения результатов.

Сравнение машины с паровозом не случайно: предполагалось, что работать она будет на паровом двигателе, приводящем в движение более 50 тысяч зубчатых колес. Изобретатель предсказывал, что пройдет не менее полувека, прежде чем кто-то сможет воплотить подобный проект в жизнь. На деле машины подобной сложности появились только в ХХ веке.

Бэббидж вел разработку машины в одиночку — его единственной помощницей и единомышленницей была Ада Лавлейс. В 1840 году изобретателя пригласили в Турин, там он провел цикл лекций о своей машине. По возвращении Лавлейс перевела на английский стенограммы лекций, снабдив их комментариями, превосходящими по объему оригинальный текст. Помимо прочего, перу Лавлейс принадлежали общее описание машины и инструкции по ее программированию. Собственно, это были первые в мире компьютерные программы. Стало быть, Ада Лавлейс — первый в мире программист.

Что касается коммерчески успешных вычислительных машин — первый такой «калькулятор» был спроектирован Шарлем Ксавье Тома де Кольмаром в 1820 году. Машина была основана на наработках Лейбница, способна была осуществлять четыре базовых арифметических операции над тридцатизначными числами – невиданный прогресс по тем временам.

Несмотря на получение патента в том же году, первые устройства появились на рынке только в начале 1840-х.

Тома, будучи военным чиновником испанской и португальской кампаний 1809-13 годов, приложил большие усилия для продвижения своего арифмометра. Шаг за шагом его прибор стал стандартом офисной техники и успешно продавался в течение последующих 90 лет. В 1844 году арифмометр Тома был представлен на французской национальной выставке, но уступил машине Рота. В 1849 году Тома получил серебряную медаль, а в 1851 году снова проиграл — на этот раз калькулятору Штафеля. Однако, по иронии судьбы, ни одна из машин-победителей выставок не получила такого признания, как машина Тома.

Тома продолжал рекламировать и совершенствовать своё изобретение, за что был удостоен многочисленных наград. На Всемирной выставке 1855 года Тома представил двухметровый арифмометр, обслуживаемый сразу двумя операторами, но снова проиграл. На сей раз шведскому дифференциальному анализатору. Несмотря на поражения в конкурсах, в конце 1870-х годов арифмометр Тома закрепился как первый стандарт вычислительной техники. А изобретатель получил орден Почётного легиона.

Также стоит упомянуть о знаковых с точки зрения истории АВМ событиях: изобретение планиметра (устройства для определения площади, ограниченной замкнутой кривой на плоскости) и появление теории интеграфа, устройства, позволявшего подсчитать значение интеграла от произвольной функции на основании механической обработки ее графика.

ХХ век начинается

Вместе с техническим прогрессом росла и сложность математических расчетов, обслуживающих этот прогресс. Если в XVII-XVIII веках счетные машины были скорее новомодной игрушкой, слишком громоздкой, дорогой и неудобной для практического использования, то в XIX веке все большее количество изобретателей стремилось создать новые вычислительные устройства.

Так, в 1903 году российский инженер Алексей Крылов, специализировавшийся на кораблестроении, изобрел первую механическую вычислительную машину, которая могла применяться как для интегрирования нелинейных уравнений, так и для численного решения алгебраических уравнений. Говорить о коммерческом успехе здесь не приходится – в первую очередь машина требовалась для нужд кораблестроения, а потому была совершенно целесообразна.

На тридцатые годы ХХ века пришелся первый пик популярности аналоговых вычислительных машин. В 1930 году была построена механическая интегрирующая машина Ванневара Буша (опосредованно положившая начало карьере знаменитого изобретателя Клода Шеннона).

В 1935-м была выпущена первая советская электродинамическая счетно-аналитическая машина САМ.

Еще через год, в 1936-м, инженером Владимиром Лукьяновым построен гидравлический интегратор. Здесь мы остановимся чуть поподробнее.

Как известно, объем жидкости в сосуде можно представить как интеграл от функции, описывающей поступление жидкости в этот сосуд. Сосуд, снабженный шкалой (проградуированной, например, в единицах объема) является простейшим примером интегратора объемного расхода жидкости. Этот принцип был известен еще в античности. Водяные часы (клепсидра) позволяли измерять промежутки времени на основе количества перетекающей между сосудами воды.

Первые модели интегратора были, скорее, экспериментальными: собраны из жести и стеклянных трубок. Каждая машина решала только одну, заранее определенную задачу.

Уже к 1941 году Лукьянову удалось построить систему, которая, посредством замены внутренних модулей, могла быть приспособлена для решения широкого спектра задач. Так, были сконструированы двухмерный и трёхмерный гидроинтеграторы.

С 1955 года «ИГЛ» (интегратор гидравлический системы Лукьянова), переработанный в виде системы, состоявшей из стандартных унифицированных блоков, начал выпускаться серийно. СССР поставлял интеграторы в Чехословакию, Польшу, Болгарию и Китай. С использованием этих устройств проводились расчеты для проектов Каракумского канала в 1940-е годы и строительства БАМа в 1970-х годах. 

Гидроинтеграторы нашли применение в геологии, шахтостроении, металлургии, ракетостроении и других отраслях промышленности. ИГЛ использовались на предприятиях вплоть до 1980-х годов.

1960-е стали эпохой расцвета АВМ: развитие технологий позволило изготавливать высокоточные детали, а наработанный предшественниками опыт — строить все более современные машины. Существовали как специализированные АВМ, предназначенные для решения задач строго одного типа (как пример — машина Буша для расчета траектории артиллерийских снарядов), так и АВМ общего назначения.

С точки зрения технической реализации машины также разделились на несколько типов:

• гидравлические;

• пневматические;

• механические;

• электромеханические;

• электрические;

• комбинированные.

Широкое разнообразие технологий дало АВМ краткосрочное преимущество перед более современными ЭВМ.

Там, где ранние ЭВМ не способны были работать в силу специфических условий (радиация, высокие вибрационные нагрузки, нежелательность использования любых, даже самых низких напряжений), узко заточенная АВМ справлялась «на ура».

Механические компьютеры применялись и в космосе. С первого пилотируемого полета и вплоть до 2002 года все советские и российские космические корабли серий «Восток», «Восход» и «Союз» были оснащены АВМ «Глобус». Она отображала движение Земли с помощью миниатюрного глобуса и предоставляла космонавтам данные о текущей широте и долготе.

Вот несколько «знаковых» АВМ ХХ века, на которые стоит обратить особое внимание:

1. Z-серия компьютеров Конрада Цузе 1939–1950 годов.

2. ELWAT — семейство польских АВМ, предназначенных для решения дифференциальных уравнений и моделирования процессов. В 1960–1970-х АВМ ELWAT превосходили ЭВМ по скорости расчетов.

3. MONIAC — гидравлический компьютер, созданный в Новой Зеландии для моделирования финансовых потоков Великобритании.

4. FERMIAC — компьютер, изобретенный физиком Энрико Ферми для помощи в исследованиях.

В целом же с помощью АВМ решался целый пласт вычислительных задач — от строительства и моделирования процессов до военных, производственных и экономических нужд. К сожалению (или счастью, кто знает), в наши дни АВМ практически не востребованы. Современные ЭВМ достаточно точны, быстры, надежны, а главное – компактны, чтобы ими можно было заменить устаревшее аналоговое оборудование.

Квантовые компьютеры в некотором смысле являются наследниками АВМ, но их время еще не наступило. На текущий момент квантовые вычислительные машины существуют исключительно в формате единичных экспериментальных устройств.

Заключение

Изобретатели прошлого — Чарльз Бэббидж, Блез Паскаль, Гиппарх и тысячи, тысячи других людей заложили основы для мира, в котором мы живем сейчас.

Сегодня мы поделились с вами наиболее интересной частью истории АВМ и постарались рассказать о том времени, когда слово computer вызывало ассоциации лишь с человеком, корпящим над скучными расчетами. Когда, чтобы собрать компьютер, требовалось изобрести само понятие о компьютере. Каждое устройство, которого мы коснулись в этой статье — результат преодоления. Результат работы наперекор судьбе, общественному мнению, ради веры в то, что за вычислительными машинами — будущее.

Сейчас компьютеры есть повсеместно. Их так много, что мы даже не замечаем их существование. Так много, что без них уже невозможно представить свою жизнь и быт.

Наверное, это правильно. Именно этого для нас желали изобретатели первых механизмов.

А нам осталось придумать, что мы хотим создать для будущих поколений. Потому что оплата улыбкой и каршеринг — это, конечно, удобно. Но есть цели и помасштабнее.