История компьютера Механические счетные устройства

Первым счетным устройством, изобретенным человеком еще задолго до нашей эры былабак (некоторые ученые полагают, что появление абака относится к четвертому тысячелетию до н.э.). Абак служил не столько для облегчения собственно вычислений, сколько для запоминания промежуточных результатов.

Известно несколько разновидностей абака: греческий (египетский) абак в виде дощечки, на которой проводили линии и в полученные колонки клали камешки; китайский суан-пан и японский соробан с шариками, нанизанными на прутики. Русский абак — счеты — появились приблизительно в 16 или 17 веке. Они стоят на особом месте, так как используют десятичную, а не пятеричную систему счисления, как все остальные абаки. Основная заслуга изобретателей абака – создание позиционной системы представления чисел.

В 1617 году шотландский математикДжон Непер (Napier) (1550-1617) изобрел счетное устройство, призванное облегчить арифметические вычисления. Устройство состояло из брусков с нанесенными на них цифрами от 0 до 9 и кратными им числами. Для умножения какого-либо числа бруски располагали рядом так, чтобы цифры на торцах составляли это число. Ответ можно было увидеть на боковых сторонах брусков. Помимо умножения, палочки Непера позволяли выполнять деление и извлечение квадратного корня.

Джон Непер являлся потомком старинного воинственного шотландского рода. Изучал логику, теологию, право, физику, математику, этику. Увлекался алхимией и астрологией. Изобрел несколько полезных сельскохозяйственных орудий. В 1590-х годах пришел к идее логарифмических вычислений и составил первые таблицы логарифмов, однако свой знаменитый труд «Описание удивительных таблиц логарифмов» опубликовал лишь в 1614 году. В конце 1620-х годов была изобретена логарифмическая линейка, счетный инструмент, использующий таблицы Непера для упрощения вычислений. С помощью логарифмической линейки операции над числами заменяются операциями над логарифмами этих чисел.

Приблизительно в 1623 году немецкий математик и астрономВильгельм Шиккард (Schickard) (1592-1635) изобрел и построил первую работающую модель 6-ти разрядного механического вычислительного устройства, которое могло складывать и вычитать числа. Описание машины Шиккарда, к сожалению, оказалось утраченным во время Тридцатилетней войны. Он создал также первый механический планетарий, демонстрирующий положение Солнца, Земли и Луны согласно системе Коперника. Наблюдал метеоры из разных пунктов для определения их траектории.

В1642 г. французский математик, физик, религиозный философ и писательБлез Паскаль (Pascal) (1623-1662) сконструировал 8-разрядную суммирующую машину. Она представляла собой механическое устройство с многочисленными шестеренками. С ее помощью можно было складывать числа, вращая колесики с делениями от 0 до 9, связанные друг с другом таким образом, что избыток над девяткой переносился на следующее колесико, продвигая его на единицу вперед. Были отдельные колесики для единиц, десятков, сотен и т.д. К сожалению, машина не могла выполнять никаких других арифметических действий, кроме сложения. Вычитать, умножать или делить на ней можно было лишь путем многократного сложения (вычитания). Изобретенный Паскалем принцип связанных колес стал основой для вычислительных устройств следующих трех столетий.

Паскаль сформулировал одну из основных теорем проективной геометрии. Известны его работы по арифметике, теории чисел, алгебре, теории вероятностей. Один из основоположников гидростатики, установил ее основной закон (закон Паскаля).

В1673 году немецкий ученый (философ, математик, физик, языковед), политический деятель и дипломатГотфрид Вильгельм Лейбниц (Leibniz) (1646-1716) изготовил механический калькулятор, способный производить сложение, вычитание, умножение и деление. В машине Лейбница использовался принцип связанных колец суммирующей машины Паскаля, но Лейбниц ввел в нее подвижный элемент (прообраз каретки настольного калькулятора), позволивший ускорить повторение операции сложения, необходимое при перемножении чисел. Вместо колесиков и приводов в машине Лейбница находились цилиндры с нанесенными на них цифрами. Каждый цилиндр имел девять рядов выступов или зубцов. При этом первый ряд содержал один выступ, второй ряд — два выступа и так вплоть до девятого ряда, который содержал соответственно девять выступов. Цилиндры с выступами были подвижными и приводились в определенные положения оператором.

Для своей машины Лейбниц применил систему счисления, использующую вместо обычных для человека десяти цифр две: 0 и 1. Принципы двоичной системы счисления Лейбниц объяснял на примере коробочки с отверстиями: открытое отверстие означало 1, закрытое – 0. Единица обозначалась выпавшим шаром, ноль – отсутствием выпавшего шара. Двоичная система счисления Лейбница нашла впоследствии применение в автоматических вычислительных устройствах.

Лейбниц предвосхитил принципы современной математической логики («Об искусстве комбинаторики», 1666). Один из создателей дифференциального и интегрального исчислений. Независимо от Ньютона создал дифференциальное и интегральное исчисление и заложил основы двоичной системы счисления.

Окончив Лейпцигский университет, куда поступил в возрасте 15 лет, Лейбниц долгие годы провел на службе у разных немецких князей. В 1766 г. в двадцатилетнем возрасте он разработал общий метод позволяющий свести любую мысль к точным формальным высказываниям. Таким образом, Лейбниц стал основателем формальной математической логики. Предложив двоичную систему счисления, ученый наделял ее мистическим смыслом: цифру 1 он ассоциировал с Богом, а 0 с пустотой. Лейбниц предположил, что двоичная система может стать универсальным логическим языком.

Лейбниц хотел выделить простейшие понятия, с помощью которых можно бы сформулировать понятия любой сложности. Он мечтал о создании универсального языка, на котором можно было бы записывать любые мысли в виде математических формул. Ученый думал о машине, которая могла бы выводить теоремы из аксиом, о превращении логических утверждений в арифметические.

Лейбниц основал Бранденбургское научное общество (позднее — Берлинская АН) и с 1700 г. являлся его президентом. По просьбе Петра I разработал проекты развития образования и государственного управления в России.

В1804 году французский инженерЖозеф Мари Жаккар (Jacquard) (1752-1834) изобрел полностью автоматический станок для выработки крупноузорчатых тканей – машину Жаккарда. Станок управлялся перфорированными картами и имел счетный механизм. Колода карточек с разным расположением отверстий задавала узор на плетение ткани. Каждая карточка управляла одним ходом челнока. Станок Жаккарда до сих пор применяется в ткацком производстве, а его идея была впоследствии использована для обработки информации с помощью компьютеров.

В 1820 году французский предприниматель Тома де Кольмар Шарль Ксавье (Charles Xavier Thomas de Colmar) (1785-1870) создал первый коммерческий арифмометр, основанный на принципе калькулятора Лейбница и способный производить умножение и деление. По своим возможностям арифмометр превосходил все известные в то время машины, так как мог оперировать тридцатизначными числами. Хотя Тома получил патент на свой арифмометр в том же году, первые арифмометры появились в продаже лишь в начале 1840-х годов. Тома де Кольмар не был простым механиком, вынужденным производить и продавать арифмометры ради пропитания. Он был военным чиновником во время испанской и португальской кампаний 1809-1813 годов, прежде чем решил заняться совершенно новым бизнесом, которому посвятил всю оставшуюся жизнь.

Своим широким распространением во второй половине XIX века арифмометр обязан отнюдь не прогрессу в области вычислительной техники, а конкуренции на рынке вычислительных средств. Сам Тома прикладывал огромные усилия для популяризации своего детища. В конце концов этот надежный прибор прочно занял свое место на конторских столах и успешно продавался в течение последующих 90 лет.

В 1844 году Тома представил свой арифмометр на французской национальной выставке промышленных товаров, который, однако, уступил пальму первенства счетной машине Рота. В 1849 году Тома решил вновь попытать счастья. На этот раз он был удостоен серебряной медали и трехстраничного отчета жюри, но высшую награду получил «Аритморель» Мореля и Жейе, вычислительная машина, свойства которой были оценены выше. В 1851 году в Лондоне Тома постигло новое разочарование: его арифмометр уступил первенство калькулятору Стаффела.

После этой череды неудач Тома еще активнее принялся рекламировать свой арифмометр. В эти годы он интенсивно переделывал и улучшал свой прибор. Тома опубликовал описание арифмометра и разослал его всем коронованным и знатным особам Европы, благодаря чему удостоился многих наград в период с 1851 по 1855 годы. К Всемирной выставке в Париже 1855 года Тома построил гигантский двухметровый арифмометр, который занимал целый стол и обслуживать его должны были сразу два человека. Однако удача вновь изменила ему — золотую медаль получил дифференциальный анализатор шведских инженеров Георга и Эдварда Шойтцев. По иронии судьбы шведской машине была уготована короткая жизнь — было продано всего лишь два ее экземпляра, в то время как арифмометр постепенно добивался признания. С конца 1870-х, когда выпуск арифмометров значительно вырос, за ними закрепилась репутация первого стандарта в вычислительной технике. За свое изобретение Тома был награжден орденом Почетного легиона.

В1823 году английский математик и изобретатель, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1832)Чарлз Бэббидж (Babbage) (1791-1871) приступил к постройке разностной машины.

Чарлза Бэббиджа часто называют «отцом компьютера» за изобретенную им аналитическую машину, хотя ее прототип был создан через много лет после его смерти.

Бэббидж родился в семье банкира. В детстве у Бэббиджа был собственный учитель алгебры, которой Чарлз был страстно увлечен. Ко времени поступления в Тринити-Колледж в Кембридже в 1811 г. Бэббидж оказался намного образованнее своих преподавателей математики. В 1812 г. Бэббидж способствовал организации Аналитического общества, целью которого стало изучение достижений европейской науки и реформирование математики Ньютона, которую преподавали в Университете. Будучи студентом, двадцатилетний Бэббидж начал работать над вычислением функций.

В 1816 г. Бэббидж был избран членом Лондонского Королевского Общества и стал одним из основателей Королевского Астрономического (1820) и Статистического (1834) Обществ. В 1828-1839 гг. он занимал почетную кафедру профессора математики Кембриджского Университета — ту самую, которую когда-то занимал Исаак Ньютон.

В 1812-13 гг. Бэббидж, решив искоренить ошибки из логарифмических таблиц, пришел к идее механических расчетов. В 1822 г. Бэббидж описал машину, способную рассчитывать и печатать большие математические таблицы, и сконструировал машину для табулирования, состоявшую из валиков и шестеренок, вращаемых с помощью рычага. Машина могла производить некоторые математические вычисления с точностью до восьмого знака после запятой. Это был прообраз его разностной машины, к постройке которой он приступил в 1823 г., получив правительственную субсидию для продолжения работ. Разностная машина должна была производить вычисления с точностью до 20 знака после запятой. Постройка машины отняла у Бэббиджа 10 лет, ее конструкция становилась все более сложной, громоздкой и дорогой. Она так и не была закончена, финансирование проекта было прекращено.

Тем временем Бэббиджем овладела идея создания нового прибора —аналитической машины. Главное ее отличие от разностной машины заключалось в том, что она была программируемой и могла выполнять любые заданные ей вычисления. По существу аналитическая машина стала прообразом современных компьютеров, так как включала их основные элементы: память, ячейки которой содержали бы числа, и арифметическое устройство, состоящее из рычагов и шестеренок. Бэббидж предусмотрел возможность вводить в машину инструкции при помощи перфокарт. Однако и эта машина не была закончена, поскольку низкий уровень технологий того времени стал главным препятствием на пути ее создания.

Разностная машина в несколько видоизмененном виде была построена в 1854 г. шведским изобретателем Шойцем. В 1991 г. британскими учеными по спецификации Бэббиджа была построена вторая разностная машина, способная производить вычисления с точностью до 31 знака после запятой.

Значителен вклад Бэббиджа и в других областях. Он содействовал реформированию почтовой системы в Англии, составил первые надежные страховые таблицы, участвовал в изобретении тахометра и создал приспособление, сбрасывающее случайные предметы с путей перед локомотивом.

Английского математика, графиню, дочь знаменитого английского поэта лорда Байрона Огасту Аду Кинг Лавлейс (Lovelace Augusta Ada King, уродж. леди Байрон) (1815-1852) по праву называют первым программистом, так как она создала первую программу для вычислительной машины своего коллеги Чарлза Бэббиджа. Получила образование, занимаясь с частными преподавателями, а затем самостоятельно, в чем ей помогал Август де Морган, первый профессор математики Лондонского университета. В 1835 г. Ада вышла замуж за барона Уильяма Кинга, а когда он получил титул графа в 1838 г., стала графиней Лавлейс.

Уже в 1833 г. ее заинтересовала аналитическая машина Бэббиджа. Она приложила все свои способности для реализации его проекта, поддерживала и вдохновляла его. В 1843 г. перевела и аннотировала статью итальянского математика и инженера Луиджи Федерико Менабриа «Элементы аналитической машины Чарлза Бэббиджа». По ее выражению, аналитическая машина способна создавать алгебраические формулы, как жаккардовая машина может ткать цветы и листья. Она же предложила применять аналитическую машину для решения уравнений Бернулли.

ВсерединеXIX века английский математик Джордж Буль (Boole) (1815-1864) разработал алгебру логики (булеву алгебру) («Исследование законов мышления», 1854) - основу функционирования цифровых компьютеров.

Джордж Буль родился в бедной рабочей семье. Первые уроки математики получил у отца и, хотя посещал местную школу, в общем его можно считать самоучкой. В 12 лет он уже знал латынь, затем овладел греческим, французским, немецким и итальянским языками. В 16 лет уже преподавал в деревенской школе, а в 20 открыл собственную школу в Линкольне. В редкие часы досуга зачитывался математическими журналами Механического института, интересовался работами математиков прошлого — Ньютона, Лапласа, Лагранжа, проблемами современной алгебры.

Начиная с 1839 г., Буль стал посылать свои работы в новый Кембриджский математический журнал. Его первая работа «Исследования по теории аналитических преобразований» касалась дифференциальных уравнений, алгебраических проблем линейной трансформации и концепции инвариантности. В своем исследовании 1844 г., опубликованном в «Философских трудах Королевского общества», он коснулся проблемы взаимодействия алгебры и исчисления. В том же году молодой ученый был награжден медалью Королевского общества за вклад в математический анализ.

Вскоре после того, как Буль убедился, что его алгебра вполне применима к логике, в 1847 г. он опубликовал памфлет «Математический анализ логики», в котором высказал идею, что логика более близка к математике, чем к философии. Эта работа была чрезвычайно высоко оценена английским математиком Августом де Морганом. Благодаря этой работе Буль в 1849 г. получил пост профессора математики Куинз-колледжа в графстве Корк, несмотря на то что он даже не имел университетского образования.

В 1854 г. он опубликовал работу «Исследование законов мышления, базирующихся на математической логике и теории вероятностей». Работы 1847 и 1854 годов дали рождение алгебре логики, или булевой алгебре. Буль первым показал, что существует аналогия между алгебраическими и логическими действиями, так как и те, и другие предполагают лишь два варианта ответов — истина или ложь, нуль или единица. Он придумал систему обозначений и правил, пользуясь которыми можно было закодировать любые высказывания, а затем манипулировать ими как обычными числами. Булева алгебра располагала тремя основными операциями — И, ИЛИ, НЕ, которые позволяли производить сложение, вычитание, умножение, деление и сравнение символов и чисел. Таким образом, Булю удалось подробно описать двоичную систему счисления. В своей работе «Законы мышления» (1854) Буль окончательно сформулировал основы математической логики. Он также попытался сформулировать общий метод вероятностей, с помощью которого из заданной системы вероятных событий можно было бы определить вероятность последующего события, логически связанного с ними.

В 1857 г. Буль был избран членом Королевского общества. Его работы «Трактат о дифференциальных уравнениях» (1859) и «Трактат о вычислении предельных разностей» (1860) оказали колоссальное влияние на развитие математики. В них нашли свое отражение наиболее важные открытия Буля. Идеи Буля нашли применение в использующих двоичный код цифровых компьютерах и в телефонной связи.

В 1885 году американский изобретательУильям Сьюард Барроуз (Burroughs) (1855-1898) создает первую самопишущую счетную машину.

Уже в пятнадцатилетнем возрасте, прервав образование, Барроуз начал зарабатывать на жизнь. Заболев туберкулезом, он вынужден был сменить климат, и в 1881 г. он вместе с семьей переехал в Сент-Луис (Миссури). Там Барроуз начал работать в магазине своего отца, где изготавливал модели для литья и одновременно занимался разработкой различных машин. В это время он задумал создать счетную машину, чтобы ускорить арифметические расчеты.

Барроуз после нескольких неудачных попыток создал свою суммирующую машину. Ввод данных в машине Барроуза производился с клавиатуры, а результат вычислений печатался на бумажной ленте. В 1886 году Барроуз, Меткаф и двое других бизнесменов из Сент-Луиса организовали компанию American Arithmometer. Арифмометр Барроуза, запатентованный в 1892 г., имел большой успех, однако сам Барроуз не успел воспользоваться его плодами. Он умер в возрасте 41 года. За свое изобретение за год до смерти Барроуз был удостоен медали Джона Скотта Франклиновского института.

В 1905 г. компания American Arithmometer была преобразована в фирму Burroughs Adding Machine, ставшую впоследствии одной из крупнейших фирм, выпускающих средства обработки данных — от кассовых аппаратов до мощных ЭВМ. В 1953 г. компания была переименована в Burroughs Corporation. В 1986 г. Burroughs слилась с корпорацией Sperry, в результате чего была образована фирма Unisys.