Какая машина явилась прототипом современного компьютера и опередила время на 100 лет
Обновлено: 06.07.2024
Начало 19 века ознаменовалось не только признанием Англии как владычицы морей, но и промышленным переворотом совершенным в этой державе. Для многих производств требовались точные вычисления, а еще больше они требовались Адмиралтейству и многим торговым морским компаниям. Каждое утро армия счетчиков, под руководством более опытных математиков, начинала скучные арифметические действия, должные поднять промышленную и морскую мощь Англии еще выше над континентальными державами.
В один из дней 1812 года молодой математик Чарльз Бэббидж глубоко задумался над таблицей логарифмов. Работать не хотелось, и тут молодой человек пришел к выводу, что все вычисления можно поручить машине. Подобные идеи разностных машин высказывали ранее Иоганн Мюллер и Джон Гершель. Но Бэббидж решил превзойти своих предшественников и создать не теоретические выкладки, а реальную машину.
В 1822 году Чарльз Бэббидж изложил свои мысли о возможности построения аналитической вычислительной машины в докладе на заседании Королевского Астрономического общества. Ученые одобрили аналитические выкладки коллеги.
Начался поиск денег на постройку машины в реальности. Поначалу была большая надежда заинтересовать проектом адмиралтейство - ведь для них анализ мест где конкретно находятся военные корабли жизненно важен. Но военморы предпочли обходиться услугами счетчиков. Страховая компания Ллойда выказала больше заинтересованности (их интересовало вычисление движения торговых кораблей), но финансировать проект отказалась.
В итоге деньги 1 500 фунтов выделило правительство страны. Машину строили 9 лет, причем расходы понесенные Англией выросли до 17 000 фунтов. Полностью первый вариант создать в металле не удалось, но часть машины ученый все же построил. Она приводила многих в изумление своими точными вычислениями.
Несмотря на неудачу, Бэббидж задумал строительство Аналитической машины No2. Если бы ее удалось воплотить в металле, то перед нами появился бы первый действующий программируемый компьютер, с устройством-ввода вывода (на перфокартах), да еще обладающий памятью . К сожалению, в то время точность обработки металла шестерен не достигала нужного уровня, а их требовалось многие тысячи. Приводиться механизм первого компьютера должен был по традиции 19 века с помощью паровой машины. Бэббидж даже разработал для своего компьютера принтер массой 3.5 тонны.
В наше время построили по чертежам Бэббиджа несколько рабочих аналитических машин, они находятся в разных музеях . Создан даже рабочий вариант принтера Чарльза Бэббиджа.
Аналитическая машина была предложена механическая компьютер общего назначения разработан английским математиком и пионера компьютерных Чарльза Бэббиджа . Впервые он был описан в 1837 году как преемник разностной машины Бэббиджа, разработанной для более простого механического компьютера.
Аналитическая машина включала в себя арифметико-логический блок , поток управления в форме условного ветвления и циклов , а также интегрированную память , что делало его первым проектом универсального компьютера, который в современных терминах можно описать как полный по Тьюрингу . Другими словами, логическая структура аналитической машины была по существу такой же, как та, которая доминировала в компьютерном дизайне в электронную эпоху. Аналитическая машина - одно из самых успешных достижений Чарльза Бэббиджа.
Бэббидж так и не смог завершить строительство какой-либо из своих машин из-за конфликтов с главным инженером и недостаточного финансирования. Только в 1941 году Конрад Цузе построил первый универсальный компьютер Z3 , более чем через столетие после того, как Бэббидж в 1837 году предложил новаторскую аналитическую машину .
СОДЕРЖАНИЕ
Дизайн
Первая попытка Бэббиджа создать механическое вычислительное устройство, Difference Engine , была специальной машиной, предназначенной для табулирования логарифмов и тригонометрических функций путем вычисления конечных разностей для создания приближенных полиномов . Строительство этой машины так и не было завершено; У Бэббиджа были конфликты со своим главным инженером Джозефом Клементом , и в конечном итоге британское правительство прекратило финансирование проекта.
Во время этого проекта Бэббидж понял, что возможна гораздо более общая конструкция - аналитическая машина. Работа над дизайном аналитической машины началась в c. 1833 г.
Должно было быть хранилище (то есть память), способное хранить 1000 чисел по 40 десятичных цифр каждое (примерно 16,6 кБ ). Арифметическое устройство (далее «мельница») будет иметь возможность выполнять все четыре арифметических операции , плюс сравнение и необязательно квадратные корни . Первоначально (1838 г.) он был задуман как разностный двигатель, загнутый назад, в основном круглой формы, с длинным магазином, выходящим в одну сторону. Более поздние рисунки (1858 г.) изображают упорядоченную сетку. Подобно центральному процессору (ЦП) в современном компьютере, мельница будет полагаться на свои собственные внутренние процедуры , которые будут храниться в виде штифтов, вставленных во вращающиеся барабаны, называемые « барабанами », для выполнения некоторых из более сложных инструкций. программа пользователя может указать.
Язык программирования, который использовали пользователи, был сродни современным языкам ассемблера . Были возможны циклы и условное ветвление, и поэтому язык в его задуманном виде был бы полным по Тьюрингу, как позже определил Алан Тьюринг . Использовались перфокарты трех различных типов: один для арифметических операций, один для числовых констант и один для операций загрузки и сохранения, передачи чисел из хранилища в арифметические единицы или обратно. Для трех типов карт было три отдельных считывателя. Бэббидж разработал около двух десятков программ для аналитической машины между 1837 и 1840 годами и одну программу позже. Эти программы обрабатывают многочлены, итерационные формулы, метод исключения Гаусса и числа Бернулли .
В 1842 году итальянский математик Луиджи Федерико Менабреа опубликовал описание двигателя на французском языке, основанное на лекциях, которые Бэббидж прочитал во время своего визита в Турин в 1840 году. В 1843 году описание было переведено на английский язык и подробно аннотировано заинтересовавшейся Адой Лавлейс. в двигателе восемь лет назад. В знак признания ее дополнений к статье Менабреа, в которых был описан способ вычисления чисел Бернулли с помощью машины (которая широко считается первой законченной компьютерной программой), она была описана как первый компьютерный программист .
Строительство
В конце своей жизни Бэббидж искал способы построить упрощенную версию машины и собрал небольшую ее часть перед своей смертью в 1871 году.
В 1878 году комитет Британской ассоциации развития науки описал аналитическую машину как «чудо механической изобретательности», но рекомендовал не строить ее. Комитет признал полезность и ценность машины, но не смог оценить стоимость ее постройки и не был уверен, будет ли машина работать правильно после сборки.
Периодически с 1880 по 1910 год сын Бэббиджа Генри Прево Бэббидж строил часть мельницы и печатный аппарат. В 1910 году он смог вычислить (ошибочный) список кратных пи . Это составляло лишь небольшую часть всего двигателя; он не был программируемым и не имел памяти. (Популярные изображения этого раздела иногда неправильно маркируются, подразумевая, что это был весь завод или даже весь двигатель.) «Завод аналитических машин» Генри Бэббиджа выставлен в Музее науки в Лондоне. Генри также предложил создать демонстрационную версию полного двигателя с меньшим объемом памяти: «возможно, для первой машины хватило бы десяти (колонн) с пятнадцатью колесами в каждой». Такая версия могла манипулировать 20 числами по 25 цифр каждое, и то, что ей можно было сказать, что делать с этими числами, по-прежнему могло быть впечатляющим. «Это всего лишь вопрос карт и времени», - писал Генри Бэббидж в 1888 году, - «. и нет причин, по которым (двадцать тысяч) карт не следует использовать в случае необходимости в аналитической машине для целей математика. ".
В 1991 году Лондонский музей науки построил полный и работающий образец разностной машины Бэббиджа № 2 , в конструкцию которой были включены усовершенствования, обнаруженные Бэббиджем во время разработки аналитической машины. Эта машина была построена с использованием материалов и технических допусков , которые были доступны Бэббиджу, что опровергает предположение о том, что конструкции Бэббиджа не могли быть произведены с использованием производственных технологий его времени.
В октябре 2010 года Джон Грэм-Камминг начал кампанию «План 28» по сбору средств посредством «публичной подписки», чтобы обеспечить серьезное историческое и академическое изучение планов Бэббиджа с целью создания и тестирования полностью работающего виртуального дизайна, который затем будет в свою очередь, позволяет построить физическую аналитическую машину. По состоянию на май 2016 года попыток фактического строительства не проводилось, поскольку на основе оригинальных проектных чертежей Бэббиджа еще нельзя было получить последовательного понимания. В частности, было неясно, может ли он обрабатывать индексированные переменные, которые требовались для программы Бернулли Лавлейса. К 2017 году проект «План 28» сообщил, что доступна база данных с возможностью поиска по всем каталогизированным материалам, и был завершен первоначальный обзор объемных Книг Бэббиджа.
Многие оригинальные рисунки Бэббиджа оцифрованы и находятся в открытом доступе в Интернете.
Набор инструкций
Неизвестно, что Бэббидж записал явный набор инструкций для движка в виде руководства по современному процессору. Вместо этого он показал свои программы в виде списков состояний во время их выполнения, показывая, какой оператор запускался на каждом шаге, с небольшим указанием того, как будет направляться поток управления.
Аллан Г. Бромли предположил, что колода карт может быть прочитана в прямом и обратном направлениях в зависимости от условного ветвления после тестирования условий, которые сделали бы двигатель полным по Тьюрингу:
. картам можно было приказать двигаться вперед и назад (и, следовательно, зацикливаться) .
Внедрение впервые, в 1845 году, пользовательских операций для различных сервисных функций, включая, что наиболее важно, эффективную систему для пользовательского управления циклами в пользовательских программах. Нет указания, как указывается направление поворота рабочих и переменных карт. В отсутствие других доказательств мне пришлось принять минимальное допущение по умолчанию, что и операции, и переменные карты могут быть повернуты только в обратном направлении, как это необходимо для реализации циклов, используемых в примерах программ Бэббиджа. Не было бы никаких механических или микропрограммных трудностей в том, чтобы поставить направление движения под контроль пользователя.
В своем эмуляторе движка Fourmilab говорят:
Считыватель карт Engine не ограничен простой обработкой карт в цепочке одну за другой от начала до конца. Кроме того, он может управлять самими картами, которые он считывает, и сообщать, активирован ли пусковой рычаг мельницы, продвигать цепочку карт вперед, пропуская промежуточные карты, или назад, в результате чего ранее считанные карты обрабатываются один раз. опять таки.
Этот эмулятор действительно предоставляет письменный набор символьных инструкций, хотя он был создан его авторами, а не основан на оригинальных работах Бэббиджа. Например, факториальная программа может быть записана как:
где CB - инструкция условного перехода или «комбинированная карта», используемая для перехода потока управления, в данном случае назад на 11 карт.
Влиять
Прогнозируемое влияние
Бэббидж понимал, что существование автоматического компьютера вызовет интерес к области, ныне известной как алгоритмическая эффективность , и писал в своих « Отрывках из жизни философа» : «Как только аналитическая машина существует, она обязательно будет направлять будущий курс развития. Всякий раз, когда с ее помощью добиваются какого-либо результата, тогда возникает вопрос: с помощью какого курса вычислений машина может получить эти результаты в кратчайшие сроки ?
Информатика
С 1872 года Генрих продолжал усердно работать со своим отцом, а затем с перерывами ушел на пенсию в 1875 году.
Перси Ладгейт писал о двигателе в 1914 году и опубликовал свой собственный проект аналитической машины в 1908 году. Он был подробно разработан, но так и не был построен, а чертежи так и не были найдены. Двигатель Ладгейта был бы намного меньше (около 8 кубических футов (230 л )), чем двигатель Бэббиджа, и гипотетически был бы способен умножать два 20-значных числа примерно за шесть секунд.
Леонардо Торрес и Кеведо писал о двигателях Бэббиджа в « Очерках по автоматике» (1913). Книга содержит проект электромеханической машины, способной полностью автоматически вычислять значение функции, а также включает идею арифметики с плавающей запятой . Торрес дважды продемонстрировал, в 1914 и 1920 годах, что все функции зубчатого колеса вычислительной машины, подобной той, что был у Бэббиджа, могут быть реализованы с помощью электромеханических деталей. Его аналитическая машина 1914 года использовала небольшую память, построенную на электромагнитах; его машина 1920 года использовала пишущую машинку для получения команд и печати результатов.
Статья Ванневара Буша « Инструментальный анализ» (1936) содержала несколько ссылок на работу Бэббиджа. В том же году он начал проект Rapid Arithmetical Machine, чтобы исследовать проблемы построения электронного цифрового компьютера.
Несмотря на эту основу, работа Бэббиджа оказалась в исторической безвестности, а аналитическая машина была неизвестна строителям электромеханических и электронных вычислительных машин в 1930-х и 1940-х годах, когда они начинали свою работу, что привело к необходимости заново изобретать многие архитектурные инновации Бэббиджа. предложил. Ховард Эйкен , построивший в период с 1937 по 1945 год быстро устаревший электромеханический калькулятор Harvard Mark I , хвалил работу Бэббиджа, вероятно, как способ повышения его собственного положения, но ничего не знал об архитектуре аналитической машины во время строительства Mark I. , и считал свое посещение построенной части Аналитической машины «величайшим разочарованием в моей жизни». Mark I не оказывал влияния со стороны аналитической машины и не обладал самой проницательной архитектурной особенностью аналитической машины - условным ветвлением . Дж. Преспер Эккерт и Джон В. Мочли также не знали о деталях работы аналитической машины Бэббиджа до завершения их проектирования первого электронного компьютера общего назначения - ENIAC .
Сравнение с другими ранними компьютерами
Если бы аналитическая машина была построена, она была бы цифровой , программируемой и полной по Тьюрингу . Однако это было бы очень медленно. Луиджи Федерико Менабреа писал в « Очерке аналитической машины»: «Г-н Бэббидж считает, что он может с помощью своей машины образовать произведение двух чисел, каждое из которых состоит из двадцати цифр, за три минуты». Для сравнения, Harvard Mark I мог выполнить ту же задачу всего за шесть секунд. Современный ПК может сделать то же самое менее чем за миллиардную долю секунды.
Первый компьютер в мире – какой он?
В 40-х годах прошлого столетия функционировало сразу несколько компьютеров, которые можно назвать первыми. Однако еще в 1822 году изобретатель Чарльз Бэббидж выпустил счетную машину, которую с большой натяжкой можно назвать компьютером. Уже в 1941 году компанией IBM при участии математика Говарда Эйксона была разработана и выпущена усовершенствованная машина «Марк 1» (по чертежам Чарльза Бэббиджа). Это первый в США программируемый аппарат, который применялся для разработки военного оборудования.- Конрад Цузе – немецкий разработчик, в 1939 году создавший машину, которая имела название Z1. Это первое электромеханическое устройство, предназначенное для вычисления аэродинамических характеристик самолета.
- Алан Тьюринг – разработал знаменитую машину, способную расшифровать коды немецкого аппарата «Энигма». Англичане построили более 200 таких компьютеров, каждый весил 2,5 тонны.
- Джон Атанасов – американскому инженеру удалось изобрести первую полностью электронную установку в 1942 году. Машина была способна решать линейные уравнения, ее даже признала «первым компьютером» судебная власть США в 1973 году.
- Джон Мокли – в 1946 г. разработал мощный электронный компьютер ЭНИАК, предназначенный для расчета баллистических таблиц. Данные операции ранее выполнялись людьми вручную. Машина была способна совершать аналогичные вычисления в 2600 раз быстрее.
Именно ЭНИАК считается первым полноценным компьютером, который является полностью вычислительным устройством. Аналоги были у британцев, однако по приказу Черчилля, информация о них была засекречена, а сами машины уничтожены. Компьютер ЭНИАК был громоздким и неудобным в работе, программирование осуществлялось путем переключения кабелей.
Так кто придумал первый компьютер?
Родоначальником принято называть именно Чарльза Бэббиджа, который увлекался вычислительными науками с молодого возраста. На основании многолетних трудов он изобрел механизм, способный выполнять сложения разностным методом. Его разработка состояла из множества громоздких шестеренок.
- Конрад Цузе – разработчик первого электромеханического программируемого аппарата.
- Джон Атанасов – разработал электронный непрограммируемый компьютер.
- Алан Тьюринг – создал универсальную техническую схему.
- Джон Мокли – сконструировал первую ЭВМ.
- Джон фон Нейман – описал архитектуру (устройство хранение информации), которая стала базовой для всех современных компьютеров.
Кто создал первый компьютер в России?
Советские разработчики впервые сконструировали компьютер в 1948 году. Придумал электронную счетную машину профессор Лебедев, в конструировании участвовали 20 инженеров и 10 помощников.Отечественная машина занимала площадь в 60 кв.м. В ее конструкции присутствовало так много ламп и кабелей, что при запуске машина выделяла слишком много тепла. Инженерам даже пришлось разобрать часть крыши, чтобы свежий воздух охлаждал компоненты. Как называлась машина? Довольно незамысловато – МЭСМ.
Компьютерный механизм был способен совершать до 3 тысяч вычислений в минуту. В конструкцию было встроено 6 тысяч ламп, каждая потребляла 25 кВт.
Как выглядели первые компьютеры?
«МАРК 1» был в длину 17 метров, высотой более 2 метров. Машина имела стальной каркас, вес компьютера составлял 4,5 тонны. Общая протяженность проводов превышала 750 км. ЭНИАК весил свыше 27 тонн, потреблял в среднем 170 кВт электроэнергии.
Первый настольный ПК выглядел менее устрашающе и спокойно помещался на рабочем столе. Programma 101 был разработан итальянцем Пьером Джорджио Перотто, использовался для расчетов посадки Apollo 11 на Луну.
Электронные вычислительные машины того времени представляли из себя массивные конструкции весом в несколько тонн. Каждый новый этап развития ЭВМ был связан не только с техническим прогрессом, но и с программным. Взять хотя бы Windows, который пришел на смену "бездушному" DOS.
Именно IBM, годом основания которой считается 1889 год, внесла огромный вклад в развитие компьютерной техники. Ее прародительница, корпорация CTR (Computing Tabulating Recording) включала в себя сразу три компании и выпускала самое различное электрическое оборудование: весы, сырорезки, приборы учета времени. После смены директора в 1914 году компания начала специализироваться на создании табуляционных машин (для обработки информации). Спустя 10 лет CTR поменяло свое название на International Business Machines или IBM.
Еще в 1888 году инженер Герман Холлерит, основатель IBM, создал первую электромеханическую счетную машину - табулятор, который мог считывать и сортировать данные, закодированные на перфокартах (бумажных карточках с отверстиями). Его даже использовали при переписи населения в 1890 году в США.
При этом история компьютеров IBM началась спустя более полувека, в 1941 году, когда был разработан и создан первый программируемый компьютер "Марк 1" весом порядка 4,5 тонн, 17 метров в длину, 2,5 метра – в высоту. Президент IBM вложил в него 500 тысяч долларов. Впервые "Марк 1" был запущен в Гарвардском университете в 1944 году. Чтобы понять, насколько сложна была конструкция машины, достаточно сказать, что общая длина проводов составила 800 км. При этом компьютер осуществлял три операции сложения и вычитания в секунду.
Первое поколение ЭВМ
Первая ЭВМ, основанная на ламповых усилителях, под названием "Эниак" была создана в США в 1946 году. По размерам она была больше, чем "Марк 1": 26 метров в длину, 6 метров в высоту, а ее вес составлял около 30 тонн. При этом по производительности "Эниак" в 1000 раз превышала "МАРК-1", а на ее создание ушло почти 500 тысяч долларов. Но у нее были существенные недостатки: очень мало памяти для хранения данных и долгое время перепрограммирования – от нескольких часов и до нескольких дней.
Кстати, среди создателей "Эниак" был ученый Джон фон Нейман, предложивший архитектуру ЭВМ, заложенную в компьютерах с конца 1940-х до середины 1950-х годов. Именно он осуществил переход к двоичной системе счисления и хранению полученной информации.
В 1951 году появился первый коммерческий компьютер UNIVAC, и уже в 1952 году вышел "IBM 701". Это был первый крупный ламповый научный коммерческий компьютер, причем создали его достаточно быстро – в течение двух лет. Его процессор работал значительно быстрее, чем у UNIVAC - 2200 операций в секунду против 455. В одну секунду процессор "IBM 701" мог выполнять почти 17 тысяч операций сложения и вычитания.
Второе поколение ЭВМ
Второе поколение ЭВМ использовало в своей основе транзисторы, созданные в 1947 году. Это была очередная революция, в результате которой существенно уменьшились размеры и энергопотребление компьютеров, так как сами биполярные транзисторы в разы меньше вакуумных ламп.
В 1959 году появились первые компьютеры IBM на транзисторах. Они были надежны, и ВВС США стали использовать их в системе раннего оповещения ПВО. А в 1960 году IBM разработала мощную систему Stretch или "IBM-7030". Она была и вправду сильна – создатели добились 100-кратного увеличения быстродействия. В течение трех лет он был самым быстрым компьютером в мире. Однако со временем IBM уменьшила его стоимость, а вскоре и вовсе сняла с производства.
Третье поколение ЭВМ
Третье поколение компьютеров связано с использованием интегральных схем (в которых используется от десятков до сотен миллионов транзисторов), впервые изготовленных в 1960 году американцем Робертом Нойсом.
В 1964 году IBM объявила о начале работы над целой линейкой IBM System/360.
System/360 хорошо продавалась даже спустя шесть лет после анонса системы. За 6 лет IBM выпустила более 30 тысяч машин. Однако затраты на разработку System/360 были очень велики - около пяти миллиардов долларов. Таким образом, System/360 заложила фундамент для следующих поколений, первым из которых был System/370.
Четвертое поколение ЭВМ
Четвертое поколение связано с использованием микропроцессоров. Первый такой микропроцессор под названием "Intel-4004" был создан в 1971 году компанией Intel, до сих пор остающейся в лидерах. Спустя 10 лет IBM выпустила первый персональный компьютер, который так и назывался IBM PC. Самая дорогая конфигурация стоила 3000 долларов и предназначалась для бизнеса, а конфигурация за 1500 долларов – для дома.
Процессор Intel 8088 работал на частоте 4,77 МГц (сейчас этот показатель в тысячи раз больше), а объем ОЗУ - 64 кбайта (сейчас – в миллионы раз больше). Для хранения информации использовались 5,25-дюймовые флоппи-дисководы. Жесткий диск нельзя было установить из-за недостаточной мощности блока питания.
Интересно, что разработкой компьютера занимались всего четыре человека. Причем IBM не запатентовала ни операционную систему DOS, ни BIOS, что породило огромное количество клонов. Уже в 1996 году IBM уступило первое место по продажам ПК на ею же основанном рынке.
Несмотря на то, что современные гаджеты сильно отличаются по характеристикам от своего предшественника, все они относятся к тому же поколению ЭВМ.
Основные толчки для развития компьютеров дала наука (появление ламп, а затем транзисторов). В настоящее время распространяется ввод информации с голоса, общения с машиной на человеческом языке (приложение Siri в iPhone) и активная работа над роботами. Основное мнение, что будущее – за квантовыми компьютерами, которые будут использовать в своей основе молекулы и нейрокомпьютерами, использующими центральную нервную систему человека и непосредственно его мозг. Однако для того, чтобы эти технологии появились, необходимо досконально изучить эти системы.
Читайте также: