Текст книги "Чарльз Бэбидж (1791—1871)"

Автор книги: Л. Майстров

Соавторы: Ида Эдлин,Игорь Апокин
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 10 страниц)

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.

Таблица 5. Характеристики аналитической машины Бэбиджа и первых универсальных вычислительных машин с программным управлением

Характеристики	Аналитическая машина Бэбиджа (1834-1871 гг.)	Ц-3 (1940– 1941 гг.)	МАРК-1 (1937– 1944 гг.)	ЭНИАК (1942– 1945 гг.)
Тип используемых элементов	Механические	Электромеханические	Электронные
Ёмкость запоминающего устройства, количество чисел	1000	64	72	20
Система счисления	Десятичная	Двоична	Десятичная	Десятичная
Длина числа, количество разрядов	50	22	23	10
Время выполнения операций, сек.:
сложение	1	0,3	0,3	0,0002
умножение	60	4,5	5,7	0,0028
деление	60	—	15,3	0,006
Ввод управляющей программы	На перфокартах	На перфоленте	На перфоленте	Путем коммутации блоков

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.

Даты жизни и деятельности Ч. Бэбиджа

1791, 26 декабря – в семье банкира Б. Бэбиджа родился сын Чарльз.

1811 – поступление в Тринити-колледж в Кембридже.

1812 – основание Аналитического общества (совместно с Дж. Гершелем и Дж. Пикоком).

1812 – начало работы над разностной машиной.

1814 – окончание колледжа в Петерхаузе.

1815 – женитьба на Джорджии Витмур.

1816 – избрание членом Королевского общества.

1817 – получение степени магистра гуманитарных наук.

1820 – основание Астрономического общества, в организации которого Бэбидж сыграл значительную роль.

1822 – создание экспериментальной модели разностной машины для табулирования полиномов с постоянными вторыми разностями.

1823 – начало работы над новой разностной машиной для расчета полиномов с постоянными шестыми разностями.

1823, 13 июня – награждение золотой медалью Астрономического общества за разработку разностной машины.

1826 – публикация статьи «О методе выражения знаками движений машин»

1827 – смерть жены, отца и двух сыновей.

1828 – избрание профессором Люкасовской кафедры Кембриджского университета.

1831 – основание Британской ассоциации за прогресс науки.

1832 – издание книги «Экономика машин и производства».

1833 – постройка части разностной машины.

1834, сентябрь – начало работы над аналитической машиной. 1840 – поездка в Италию (г. Турин) для обсуждения проекта аналитической машины.

1842—1848 – разработка теории аналитической машины.

1842 – публикация статьи Л. Менабреа, излагающей основные идеи Бэбиджа об аналитической машине.

1843 – опубликование статьи Л. Менабреа с примечаниями А. Лавлейс.

1848 – начало разработки полного комплекта чертежей для разностной машины.

1862 – демонстрация модели разностной машины на международной выставке в Лондоне (Южный Кенсингтон).

1864 – издание книги «Страницы из жизни философа».

1871, 18 октября – смерть Ч. Бэбиджа.

Библиография Труды Ч. Бэбиджа

1813

1. The Preface. – In: Memoires of the analytical society. Cambridge. Соавт. : Herschel J.

2. On continued products. – In: Memoires of the analytical society. Cambridge.

1815

3. An essay towards the calculus of functions. – Phil. Trans., vol. 105.

1816

4. An essay towards the calculus of functions, Part. 2. – Phil. Trans., vol. 106, p. 179.

5. Demonstrations of some of Dr. Matthew Stewart’s general theorems, to which is added an account of some new properties of the circle. – Roy. Inst. J., vol. 1, p. 6.

5a. Translation of the differential and integral calculus of La Croix. Соавт.: Herschel Peacock J.

1817

6. Observations on the analogy which subsists between the calculus of functions and other branches of analysis. – Phil. Trans, p. 179.

7. Solution of some problems by means of the calculus of functions. – Roy. Inst. J., p. 371.

8. Note respecting elimination. – Roy. Inst. J., p. 355.

9. An account of Euler’s method of solving a problem relating to the knight’s move at chess. – Roy. Inst. J., p. 72.

1819

10. On some new methods of investigating the sums of several classes of infinite series. – Phil. Trans., p. 245.

11. Demonstration of a theorem relating to prime numbers. – Edinburgh Phil. J., vol. 2, p. 46—49.

1820

12. An examination of some questions connected with games of chance. – Trans. Roy. Soc. Edinburgh, vol. 9, p. 153.

13. Observations on the notation employed in the calculus of functions. – Trans. Cambridge Phil. Soc., vol. 1, p. 63.

14/15. On the application of analysis, etc. to the discovery of local theorems and porisms. – Trans. Roy. Soc. Edinburgh, vol. 9, p. 337.

16. Examples to the differential and integral calculus. L., vol. 1/2. Соавт.: Herschel J., Peacock J.

17. Examples of the solution of functional equations. L.

18. Des Equations Fonctionneles. – Ann. Math., 1821—1822, vol. 12, p. 72-103.

1822

19. Note respecting the application of machinery to the calculation of mathematical tables. – Mem. Astron. Soc., june, vol. 1, p. 309.

20. A letter to Sir H. Davy, P. R. S., on the application of machinery to the purpose of calculating and printing mathematical tables. L., july.

1823

21. On the theoretical principles of the machinery for calculating tables. – Edinburgh Phil. J., vol. 8, p. 122—128.

1824

22. Observations on the application of machinery to the computations of mathematical tables, Dec. 1822. – Mem. Astron. Soc., vol. I, p. 311.

23. On the determination of the general term of a new class of infinite series. – Trans. Cambridge Phil. Soc., vol. 2, p. 218.

24. Observations on the measurement of heights by the barometer. – Edinburgh. J. Sei., p. 85—87.

1825

25. On a new zenith micrometer. – Mem. Astron. Soc. 26. Account of the repetition of M. Arago’s experiments on the magnetism manifested by various substances during rotation. – Phil. Trans., p. 467. Соавт.: Herschel J.

1826

27. On the diving bell. – In: Encycl. Metropolitana. L.

28. On electric and magnetic rotation. – Phil. Trans., vol. 2, p. 494.

29. On a method of expressing by signs the action of machinery. – Phil. Trans., vol. 2, p. 250.

30. On the influence of signs in mathematical reasoning. – Trans. Cambridge Phil. Soc., vol. 2, p. 218.

31. A comparative view of the different institutions for the assurance, of Life. L.

32. On notation. – In: Edinburgh Encycl. Edinburgh.

33. On porisms. – In: Edinburgh Encycl. Edinburgh.

34. A table of the logarithms of the natural numbers, from 1 to 108,000. L.

1827

35. Notice respecting some errors common to many tables of logarithms. – Mem. Astron. Soc., vol. 3, p. 65.

1829

36. Essay on the general principles which regulate the application of machinery. – In: Encycl. Metropolitana. L.

37. Letter to T. P. Courtenay on the proportion of births of the two sexes amongst legitimate and illegitimate children. – Edinburgh J. Sei., vol. 2, p. 85.

38. Account of the great congress of philosophers at Berlin, on 18 Sept. 1828. – Edinhurgh J. Sei., vol. 10, p. 225.

39. Note on the description of mammalia. – Edinburgh J. Sei., vol. I, p. 187.

1830

40. Reflections on the decline of science in England, and on some of its causes. L.

41. On the proportion of letters occurring in various languages, in a letter to M. Quetelet. – Gorresp. Math, et Phys., vol. 6, p. 136.

1831

42. Specimen of logarithmic tables, vol. 1—21.

1832

43. On the economy of manufactures and machinery, 4th Ed. L.

(1835).

44. Letter to Sir David Brewster, on the advantage of a collection of the constants of nature and art. – Edinburgh J/ Sei., vol. 6, p. 334.

45. Barometrical observations, made at the fall of staubbach. – Edinburgh J. Sei., vol. 6, p. 224. Соавт.: Herschel /.

1833

46. Observations on peerage for life. L., july.

1834

47. Observations on the temple of Serapis, at Pozzuoli, near Naples, with remarks on certain causes which may produce geological cycles of great extent. – Proc. Geol. Sqc London, vol. 2, p. 72—76.

1835

48. Letter from Mr. Abraham Sharpe to Mr. J. Grosthwait, Hoxton, 2 Feb. 1721, deciphered by Mr. Babbage. – In: Baily F. Life of Flamsteed. L., p. 348, 390.

1837

49. The ninth Bridgewater treatise. L., may.

1838

50. On some impressions in sandstone. – Phil. Mag., Ser. 3, vol. 10, p. 474; Proc. Geol. Soc. London, vol. 2, p. 439.

51. Short account of a method by which engraving on wood may be rendered more useful for the illustration and description of machinery. – 1ц: Report of meeting of British association at Newcastle. L., p. 154.

1839

52. Letter to the members of the British association. L.

1840

53. General plan, N 25, or Mr. Babbage’s great calculating or analytical engine. P.

1843

54. Statement of the circumstances respecting Mr. Babbage’s calculating engines. L.

55. Note on the boracic acid works in Tuscany. – In: Murray’s handbook of central Italy. 1st ed., p. 178.

1846 56. On the principles of tools for turning and planing metals, Holtzapffel turning and mechanical manipulation. L., app. vol. II.

1847

57. On the planet Neptune. – Times, mar. 15.

1848

58. Thoughts on the principles of taxation, with reference to a property tax and its exceptions. L., 1848; 2nd ed., 1851; 3rd ed., 1852.

1851

59. Note respecting the pink projections from the sun’s disc observed during the total solar eclipse in 1851. – Proc. Astron. Soc., vol. 12, N 7.

60. Laws of mechanical notation, with lithographic plate. L., july.

61. Note respecting lighthouses (Occulting lights). L., nov.

62. The exposition of 1851; or, views of the industry, the science, and the government of England. L.

1853

63. On the statistics of lighthouses. – In: C. r. des Travaux Congres General. Bruxelles, sept.

1854

64. A short description of Mr. Babbage’s ophthalmoscope. – In: Report on the Ophthalmoscope by T. Wharton Jones, F. R. S. – Brit, and Foreign Med. Rev., oct., vol. XIV, p. 551.

65. On secret or cipher writing: Mr. T—’s Cipher deciphered by C. – J. Soc. Arts, july, p. 707.

66. On Mr. T—’s second inscrutable cipher deciphered by C.—J. Soc. Arts, aug., p. 777.

1855

67. On submarine navigation. – Illus. News, june 23.

68. Letter to the editor of the times, on occulting lights for lighthouses and night signals: flashing lights at Sebastopol. – Times, july 16.

69. On a method of laying guns in a battery without exposing the men to the shot of the enemy. – Times, aug. 8.

70. Sur la machine suedoise de M. Scheutz pour calculer les tables mathematiques. – C. r. Acad, sei., oct. 8, p. 557– 560, 1856, apr. 28, p. 798—800.

1856

71. On the action of ocean currents in the formation of the strata of the earth. – Quart. J. Geol. Soc., nov.

72. Observations by Charles Babbage, on the mechanical notation of Scheutz’s difference engine, prepared and drawn up by his son, major Henry Prevost Babbage, addressed to the institution of civil engineers. – Minutes Proc., vol. 15.

73. Statistics of the clearing-house. L.

74. Observations addressed to the president and fellows of the royal society on the award of their medals for 1856. L.

1857

75. Table of the relative frequency of occurrence of the causes of breaking plate-glass windows. – Mech. Mag., jan. 24.

1859

76. On remains of human art, mixed with the bones of extinct races of animals. – Proc. Roy. Soc., may 26.

1864

77. Passages from the life of a philosopher. L.