IT История

Слова сослагательного наклония “если бы только” связаны с жизнью и деятельностью Чарльза Бэббиджа. Если бы только он пошел немного дальше, если бы только он создал удивительные машины, которые рисовал в своих проектах. Что могло быть? Говард Ай-кен, который построил один из первых ком­пьютеров, однажды заметил, что если бы Бэббидж жил на 75 лет позже, то изобрета­тель XIX века мог бы затмить его славу. Та­кие предположения всегда беспочвенны, и все же существует какая-то ужасная неспра­ведливость — Чарльз Бэббидж был таким дальновидным и так опередил свое время! Бэббидж жил в то время, когда существующие технологии делали трудным для конструктора компьютеров осуществление его идей. Поэтому Бэббидж не создал компьютер. После его смерти миру пришлось ждать этого изобре­тения еще около 70 лет. И все же его схема компьютера была настолько близка к цели, что Бэббидж стал неотъемлемой частью ранней истории компьютеров. Его по праву называют провозвестником компьютерной эры.

Если правда в том, что уровень техники XIX века не позволял создать точ­ность, необходимую для построения машин Бэббиджа, то это равнозначно тому, что он был одержим чувством совершенства, которое делало его не­способным закончить один проект, перед тем как начать другой. Следова­тельно, можно обвинять и самого Бэббиджа, так же как и отсутствие техно­логии за то, что он не дошел до конца в создании цифровой вычислитель­ной машины. Забытый на десятилетия после своей смерти в 1871 году, Бэббидж получил признание за свою работу только в 40-х годах XX века с началом компьютерной эры.

Если бы он посетил нашу эпоху, он сильно бы удивился, обнаружив, как широко используются компьютеры. И все же, стоило бы ему только по­смотреть внутрь любого стандартного компьютера, его удивление уменьшилось. Он мог быть ошеломлен использованием электронной техники, но ему были бы поразительно знакомы основные принципы устройства централь­ного процессора и памяти.

Бэббидж был одним из величайших изобретателей XIX века. Он сделал так много вещей и сделал их так чрезвычайно хорошо. Он был математиком, инженером и больше всего конструктором компьютеров. Как будто в одном лице было десять разных лиц.

В 1822 году он спроектировал разностную машину, рассматриваемую не­которыми как первое автоматическое вычислительное устройство. Только десятилетие спустя, в 1834 году, он начал конструирование своей аналити­ческой машины. Если бы возникло нечто конкретное, то это могло бы с ус­пехом стать первым универсальным компьютером. Но фактически дейст­вующей машины построено не было, поэтому его притязания на славу оста­лись в значительной степени только на тщательно разработанных чертежах. Тем не менее Чарльз Бэббидж добился известности, будучи первым, кто по­стиг общую концепцию компьютера. Почти все принципы, лежащие в ос­нове сегодняшнего компьютера, были унаследованы от проницательного ученого XIX века. Аналитическая машина Бэббиджа предназначалась для решения любых математических задач. Самое важное — то, что машина также предусматривала наличие нескольких особенностей (условной пере­дачи управления, подпрограмм и циклов), что могло бы сделать ее програм­мируемой. Перфокарты, среда передачи данных, которые, в конечном счете, нашли свое место в компьютере, использовались для ввода программ.

Бэббидж родился 26 декабря 1791 года, в том месте, где сейчас расположен небольшой городок Саутворк, пригород Лондона. Он был слабым, болез­ненным ребенком с сильным любопытством и одаренным богатым вообра­жением умом. Когда ему давали игрушку, он разламывал ее на части, чтобы узнать, как она сконструирована. Как-то раз он сделал две прикрепленные на петлях доски, которые давали ему возможность ходить по воде. Бэббидж рано проявил склонность к математике, возможно унаследованную от своего отца, банкира. Его детский энтузиазм был направлен на сверхъестественное. Как-то раз он попытался установить контакт с дьяволом, проколов палец, чтобы получить каплю крови, и затем, прочитав молитву Богу задом напе­ред; Бэббидж был разочарован, обнаружив, что дьявол не появился. Его ин­терес к оккультному продолжился. Он заключил соглашение с приятелем детства о том, что кто из них умрет первым, появится перед выжившим уча­стником соглашения. Когда друг умер в возрасте 18 лет, Бэббидж простоял целую ночь в ожидании появления призрака — чтобы только обнаружить, что его друг не отнесся серьезным образом к своей роли в этой сделке. Учась в колледже, Бэббидж основал клуб привидений для сбора информа­ции по сверхъестественному феномену.

В октябре 1810 году Бэббидж поступил в Тринити — колледж Кембриджа, где он изучал математику и химию. Его преподаватели были разочарованы,когда Бэббидж решил, что его знания превосходят их. Математика Ньютона, умершего 200 лет назад, все еще удерживала свое влияние в Кембридже, не­смотря на новые идеи, циркулирующие в Европе. Бэббидж и его друзья соз­дали клуб, получивший название “Аналитическое общество”, обещая друг другу сделать все от них зависящее, чтобы мир стал мудрее, чем он был до них. Общество помогло возродить изучение математики в Англии, делая упор на абстрактной природе алгебры и пытаясь привнести новые идеи.

Бэббидж обдумывал вступление в церковь, но отклонил выбор, обнаружив отсутствие денег на это. Он подумывал о горном деле как о потенциально прибыльном предприятии, но отказался и от этой идеи.

2 июля 1814 года он женился на Джорджиане Витмор. В период с 1815 по 1820 год Бэббидж сильно увлекся математикой. Он изучал алгебру и написал научные статьи по теории функций. Так как он был либералом, то во время правления консерваторов, Бэббидж не смог добиться покровительства, ко­торое обеспечило бы ему хорошо оплачиваемое положение. Было несколько вакансий профессоров, но его попытки получить место профессора были безуспешны. Джорджиана Бэббидж родила восьмерых детей в течение 13 лет, три сына дожили до совершеннолетия. Бэббидж настаивал на том, чтобы его жена заботилась о них и воспитывала их так, чтобы он мог быть свободным и мог заниматься своими исследованиями.

Будучи убежденным эклектиком, Бэббидж занялся продолжительным иссле­дованием того, как сделать жизнь более целесообразной. Он обдумывал бо­лее дешевый способ перевозки посылок для почтовых учреждений. Он по­гружался в океанские глубины в водолазном колоколе, чтобы изучить под­водное плавание. Его пытливый ум привел его к проверке возможности для человека ходить по воде — ответ был отрицательный.

Он также входил в духовой шкаф, чтобы определить воздействие температуры 256 градусов по Фаренгейту. Он быстро покинул духовой шкаф, получив незначительные ожоги. Бэббидж был плодотворным писателем, опубликовавшим 80 книг и статей в разнообразных отраслях, таких как математика и богословие, ас­трономия и управление. Его книга “Экономика машин и производства”, на­писанная в 1832 году, была названа первой попыткой производственного исследования. Основные тезисы книги заключаются в том, что промышлен­ность требует научного подхода. Способность к статистике подстрекала его, возможно только шутки ради, вычислить шансы библейских чудес: вос­кресший из мертвых находился в соотношении не больше, чем один к деся­ти в 12 степени! Кроме неоспоримого звания дедушки современного ком­пьютера, Бэббидж был крупным изобретателем.

Одним его изобретением был “таинственный” маяк, в котором свет вспыхивает и гаснет; эта система используется сегодня во всем мире. Другим изобретением был офтальмо­скоп, который врачи до сих пор применяют для осмотра внутренней сторо­ны глаза. Бэббидж изобрел оборудованные приборами железнодорожные вагоны, используемые британскими проводниками для измерения давления, при движении поезда. Это благодаря Бэббиджу британские железные дороги имеют широкую колею. Он был также выдающимся шифровальщиком сво­его времени, использовавшим математический аппарат для дешифровки.

Эта деятельность приносила ему большое удовольствие. Он имел преобла­дающую характерную черту — стремление к совершенству. Ученый двигался от задания к заданию с настойчивостью, которая порождала вспышки гени­альности. Но он был слишком нетерпелив, чтобы позволить себе время пе­ревести эти вспышки в конкретную реальность. Однако он был всегда то­чен. После чтения строк Теннисона из “Видения греха”: “Каждую минуту умирает человек, каждую минуту рождается”, он написал поэту: “Очевидно, что если бы это было правдой, то население стояло бы на мертвой точке”. Он предложил следующее: “Каждую мгновение умирает человек и 1 и 1/16 рож­дается”. Теннисон, по-видимому, уловил суть, поскольку изменил строки на “Каждый миг умирает человек, каждый миг рождается”.

Наиболее существенный вклад Чарльзом Бэббиджем был сделан в области механических вычислений, хотя признание пришло спустя долгое время по­сле его смерти. Стремившийся к совершенству Бэббидж высоко ценил точ­ность и видел необходимость улучшать механические калькуляторы своего времени. Примитивные и управляемые вручную, они не только медленно работали, но и были склонны к ошибкам. Из-за небрежности ошибки встречались в большом количестве в астрономических картах и навигацион­ных таблицах, ошибки, которые приводили к трагическим кораблекрушени­ям. Бэббидж пытался изобрести такую машину, которая могла бы выполнять две операции: вычислять и выводить на печать математические таблицы, тем самым избегая ошибок, которые возникают между рукописной копией и отпечатанной версией.

Однажды вечером, когда полусонный Бэббидж просматривал таблицу лога­рифмов в комнате Аналитического общества, к нему подошел другой член общества и спросил, о чем он мечтает. Посмотрев вверх, Бэббидж ответил, что думает о возможности найти способ подсчитывать все таблицы на ма­шине. Этот короткий, довольно-таки незначительный разговор стал пово­ротным пунктом в ранней истории компьютеров. Бэббидж решил все свое время использовать для того, чтобы приблизиться к своей цели — автомати­зации вычисления математических таблиц. К 1822 году он спроектировал то, что он назвал разностной машиной, маленькое устройство для вычисления таблиц, важных для навигации.

Бэббидж создал небольшую рабочую модель. Она могла управлять шестизначными числами и выражать в числах любую функцию, которая имела постоянную вторую разность. Затем 14 июня 1822 года, выступив перед Королевским астрономическим обществом, он предложил создание большой, в натуральную величину разностной машины, первого автоматического вычислительного устройства. Его научный доклад обществу, озаглавленный “Наблюдения за применением машинного обору­дования к вычислению математических таблиц”, был хорошо принят. “Вся арифметика теперь происходила внутри способного к быстрому восприятию механизма”, — писал он позже.

Этот доклад был самым первым докладом по механическому вычислению. Бэббидж представлял себе машину, которая могла делать многочисленные вычисления автоматически. Когда машина начнет работать, оператор будет выполнять работу наблюдателя. Как про­возгласил Бэббидж в письме к президенту Королевского общества сэру Хемфри Деви, люди теперь избавлены от “невыносимого труда и утомляю­щей монотонности” математических вычислений; вместо этого машины, используя “гравитационную или любую другую движущую силу”, могли за­просто заменить человеческий интеллект.

Разностная машина снабжалась бы силовым двигателем при помощи па­дающего груза, поднимаемого паровой машиной. По одной версии машина Бэббиджа печатала бы числа с 18 знаками. Не было бы больше типограф­ских ошибок, потому что таблицы печатались бы прямо с металлических пластин машины.

К июлю 1823 года Бэббидж добился согласия канцлера казначейства предос­тавить ему 1500 фунтов, что было гораздо меньше, чем требовалось, но, тем не менее, приличная сумма. Этого было достаточно, чтобы поддержать у Бэббиджа веру в то, что он заручился поддержкой официального покровите­ля на необходимое время, что было ошибочным мнением с его стороны.

Разностная машина была самым крупным проектом того времени, финан­сируемым правительством, предположительно потому, что правительствен­ные официальные лица были заинтересованы обещанием более точных на­вигационных и артиллерийских таблиц. В конечном счете Бэббидж вложил от 3000 до 5000 фунтов из собственного кармана, предполагая, что со време­нем правительство возместит ему затраты. Он нашел выдающегося инстру­ментального мастера Англии Джозефа Клемента, который в свою очередь взял лучших рабочих страны.

Бэббидж надеялся построить действующую машину через два или три года, но скоро обнаружил, что это слишком оптимистично. Собрать вместе дета­ли, которые дали бы ему возможность создать части машины, оказалось на­много сложнее, чем предполагалось. Несколько следующих лет он проекти­ровал детали машины, а потом пытался построить машину, которая бы де­лала сами детали. Это была утомительная и тщетная работа, которая не дала желаемых результатов, хотя способствовала развитию британского инстру­ментального мастерства. Временами казалось, что Бэббидж был сам себе врагом.

Его одержимость совершенством толкала его на многочисленные изменения в чертежах. Рабочим приходилось заново изобретать новые дета­ли, затягивая проект. Его младший сын Чарльз умер в июне 1827 года, жена в августе того же года. Бэббидж переложил заботу о выживших детях на свою мать. Он так и не женился вновь. Следующий год Бэббидж провел за границей.

Хотя он унаследовал 100 000 фунтов от отца и получил дополнительных 1500 фунтов от правительства, финансовые дела продолжали беспокоить Бэббиджа. Он вложил свои собственные деньги, друзья предоставили 6000 фунтов. Тем не менее прошло 20 лет после того, как он задумал разностную машину, а она осталась неоконченной, в то время как Бэббидж и британ­ское правительство находилось в конфликте по поводу собственности изо­бретения.

С одной стороны, процесс создания машины разности был замед­лен из-за разногласий между Бэббиджем и Клементом. Клемент всегда счи­тал, что с Бэббиджем трудно работать, но еще одна проблема встала, когда Бэббидж решил перенести мастерскую ближе к своему дому (мастерская Клемента была в 4 милях). Когда Бэббидж попросил Клемента переехать с инструментами и чертежами в новую мастерскую, последний отказался. Его не привлекала перспектива вынужденно делить свое время и энергию между двумя рабочими адресами. Бэббидж оказался в затруднительном положении. Он не имел желания платить Клементу из своего собственного кармана, но понимал, что отсутствие Клемента означало бы приостановку проекта. Бэб­бидж оказался экономным, поэтому все работы по разностной машине были остановлены в 1833 году.

Приблизительно в это же время шведский технический редактор Георг Шютц, прочитав об устройстве в “Эдинбургском обозрении”, предпринял попытку построения разностной машины, похожей на машину Бэббиджа. Вскоре к проекту присоединился его сын инженер Эдвард. Не сумев зару­читься поддержкой шведского правительства, эти двое продолжали само­стоятельно, создав к 1840 году небольшую машину, которая могла произво­дить операции с разностями первого порядка.

В течение нескольких сле­дующих лет они расширили машину до трех порядков разности и создали печатающее устройство. К 1853 году они имели свою “табличную машину”, как они назвали ее, которая могла выполнять операции с разностями чет­вертого порядка, обрабатывать 15-значные числа и выводить на печать ре­зультаты. Она вычисляла намного быстрее, чем любой человек, и предста­вила первое реальное доказательство тому, что машины могут быть исполь­зованы в операциях с числами.

В 1854 году семья Шютцев показала свое изобретение Королевскому обще­ству в Лондоне, получив поддержку самого Чарльза Бэббиджа. На большой выставке в Париже в следующем году табличная машина завоевала золотую медаль, частично благодаря попыткам воздействия Бэббиджа на членов комиссии. Награжденное золотой медалью, семейство смогло продать машину за 5000 долларов доктору Бенджамину Гоулду, директору Дадлинской обсер­ватории в Олбани, штат Нью-Йорк. Доктор Гоулд использовал ее для вы­числения ряда таблиц, связанных с орбитой планеты Марс. Однако, несмот­ря на всю точность машинных вычислений, в 1859 году доктор Гоулд был уволен! Табличная машина была передана в Смитсоновский институт. Ко­пия устройства была построена в конце 50-х годов XIX века британским журналом “Реджистер Дженерал”.

Машина Шютца не всегда функциониро­вало правильно. Существование этой более простой версии машины Бэб­биджа наводит на мысль о том, что отсутствие технологии не может являть­ся единственной причиной неспособности Бэббиджа создать свои машины.

Лишенный своих инструментов и чертежей (Клемент присвоил их после спора в 1833 году) Бэббидж решил разработать проект совершенно другой машины, которая была бы легче в изготовлении, чем разностная. Он начал в 1834 году и в течение следующих двух лет создал основные элементы совре­менного компьютера. Еще до создания разностной машины Бэббидж понял ее недостатки.

По существу это был калькулятор специального назначения, а компьютер должен быть не только удобным, но и универсальным, способ­ным выполнить любую арифметическую или логическую операцию. Бэб­бидж назвал это более, сложное устройство “аналитической машиной”. Если бы он преуспел в ее создании, это был бы первый универсальный компью­тер. Важно также и то, что аналитическая машина была задумана как про­граммируемая, поэтому ее команды были изменяемыми. Бэббидж писал, что он был удивлен той силе, которую способен был дать машине, забывая, что ему надо еще построить ее. Его биограф Энтони Хаймэн называл аналити­ческую машину одним из наиболее важных интеллектуальных достижений.

Идеи Бэббиджа сейчас вызывают удивление своей схожестью с общими концепциями современных компьютеров. Инструкции должны были вво­диться в аналитическую машину при помощи перфокарт, затем сохраняться на складе, по существу в памяти современного компьютера. Идея перфокарт была заимствована из революционного тогда ткацкого станка Жаккара, ко­торый использовал карты с отверстиями, чтобы автоматически контролиро­вать нити, проходящие над или под движущимся челноком. Бэббидж ис­пользовал карты с отверстиями для быстрого ввода команд.

К сожалению, он так и не достиг конечной цели в природе современного компьютера. Во-первых, он думал только о механических устройствах, мысль об электричестве, по-видимому, никогда не приходила ему в голову. Он также не пред­ставлял себе команды, имеющие две части: операционную и адресную. Бэббидж обдумывал множество сис­тем счисления для аналитической машины, но остановился на десятич­ной. Числа должны были содержаться в памяти. Он хотел нанести на коле­сики по 10 различных позиций чисел.

Числа должны были передаваться при помощи системы рычагов на цен­тральное устройство. Контроль всего процесса осуществлялся с помощью нескольких перфокарт, которые точно определяли операцию и обеспечивали адресом объект действия в памяти. Когда команды помещались на опера­ционные карты, устройство, соответ­ствующее центральному процессору современного компьютера, принимало информацию и выполняло операцию.

Одна арифметическая операция за­вершалась за секунду. Результаты затем отсылались в память. Конечные ре­зультаты распечатывались — это действие производилось автоматически. Бэббидж предполагал, что емкость запоминающего устройства будет 1000 пятидесятизначных чисел. Исследовав много вариантов для выполнения че­тырех арифметических действий, он изобрел понятие упреждающего пере­носа. Это было гораздо быстрее, чем последовательный перенос от одного разряда к другому. Бэббидж также изобрел параллельный перенос, с по­мощью которого могла быть выполнена целая серия сложений с единствен­ной операцией переноса в конце. Аналитическая машина требовала шесть паровых машин для питания силовых двигателей, которые производили сильный шум.

Современники Чарльза Бэббиджа могли не узнать о достижениях изобрета­теля, если бы не старания Ады, графини Лавлейс, дочери поэта лорда Бай­рона. Бэббидж встретил ее впервые на вечеринке, которую он давал 5 июня 1833 года. Ей тогда было 17 лет. 9 лет спустя в Италии итальянский воен­ный инженер, Луиджи Федерико Менабреа, описал математические прин­ципы Аналитической машины в научной статье. В 1843 году Ада Лавлейс выполнила английский перевод научной статьи Менабреа, сопроводив ее обширными примечаниями. Этот перевод дал Англии первое небольшое представление о достижениях Бэббиджа в области компьютеров.

Настоящие заметки оцениваются как один из главных документов в истории компьюте­ров. Ада писала: “Мы можем с большой уверенностью сказать, что аналити­ческая машина плела алгебраические модели точно так же, как и ткацкий станок Жаккара ткал цветы и листья”. Для Бэббиджа Ада и ее муж, граф Лавлейс, стали друзьями на всю жизнь, а Ада, кроме того, стала обществен­ным адвокатом Бэббиджа.

Только в возрасте 71 года Бэббидж был готов предать гласности свои идеи. Его первая разностная машина демонстрировалась в Лондонском научном музее, и Бэббидж был рядом, чтобы объяснить ее действие. В послед­ние годы жизни Бэббидж был бодрым, с постоянным желанием похвастать своей мастерской.

Вечером 18 октября 1871 года, за два месяца до своего восьмидесятилетия, Чарльз Бэббидж умер. Только несколько человек присутствовали на похоро­нах, что говорило об отсутствии интереса к его работе со стороны его со­временников.