Электромеханические вычислительные устройства

В 1888 году американский инженер и изобретательГерман Холлерит (Hollerith) (1860-1929) создает первую электромеханическую счетную машину — табулятор.

В 1879 г. Холлерит окончил Геологоразведочную школу при Колумбийском университете и сразу же был назначен ассистентом своего преподавателя Уильяма Троубриджа для участия во всеамериканской переписи населения 1880 года. Следующие десять лет Холлерит преподавал в Массачусетском технологическом институте в Кембридже, занимался проблемой пневматических тормозов, работал в Патентном бюро в Вашингтоне. Все это время его также занимали вопросы автоматизации обработки результатов переписи.

Холлерит сконструировал электромеханическую машину, которая могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. Эта машина, названная табулятором, состояла из реле, счетчиков, сортировочного ящика. Данные на каждого человека наносились на перфокарты, почти не отличающиеся от современных, в виде пробивок. При прохождении перфокарты через машину данные, отмеченные дырочками, снимались путем прощупывания системой игл. Если напротив иглы оказывалось отверстие, то игла, пройдя сквозь него, касалась металлической поверхности, расположенной под картой. Возникавший таким образом контакт замыкал электрическую цепь, благодаря чему к результатам расчетов автоматически добавлялась единица, а перфокарта попадала в определенное отделение сортировочного ящика.

В 1890 г. изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Успех вычислительных машин с перфокартами был феноменален. То, чем за десять лет до этого 500 сотрудников занимались в течение семи лет, Холлерит сумел выполнить с 43 помощниками на 43 вычислительных машинах за 4 недели.

Это изобретение имело успех в США, однако намного больше интереса оно вызвало в Европе, где стало широко применяться для статистических исследований. Несколько таких машин закупила царская Россия. Холлерит был удостоен нескольких премий и получил звание профессора Колумбийского университета. В 1896 г. он организовал в Нью-Йорке компанию по производству машин для табуляции (Tabulating Machine Company), которая впоследствии выросла в International Business Machines Corporation — IBM.

В1930 г. американский ученыйВанневар Буш (Bush) (1890-1974) разработал большой электромеханический аналог компьютера – дифференциальный анализатор, предназначенного для решения дифференциальных уравнений. Анализатор приводился в действие электричеством, а для хранения информации в нем использовались электронные лампы. Машина, способная манипулировать с 18 независимыми переменными, стала предвестником бурного развития электронных вычислительных машин после Второй мировой войны. Однако дифференциальный анализатор Буша имел существенный недостаток — он занимал целую комнату и имел значительный вес. Так, даже более поздняя модель дифференциального анализатора, построенная в 1942 году, весила 200 тонн.

В 1914-1917 годах работал в университете Тафта в Мэдфорде (Массачусетс), где преподавал и проводил исследования по обнаружению субмарин для Военно-морских сил США. В 1919 г. поступил в Массачусетский технологический институт в Кембридже. В конце 1920-х изобрел сетевой анализатор, моделирующий работу больших электрических сетей. В 1940 г. Буш был избран председателем Национального Комитета по оборонным исследованиям. Во время Второй мировой войны Буш стал директором вновь созданного Комитета по научным исследованиям и развитию, который координировал исследования в области вооружений. После войны (1946-1947) Буш возглавлял Объединенную Комиссию по исследованиям и развитию. С 1939 по 1955 годы Буш также являлся президентом Института Карнеги.

В1936 г. английский математикАлан Матисон Тьюринг (Turing) (1912-1954) описал гипотетический механизм, названный «машиной Тюринга». Это устройство, состоявшее из бесконечной бумажной ленты с записанными на ней символами и считывающей головки, могло решать любые математические или логические задачи. Таким образом, она обладала основными свойствами современного компьютера: пошаговым выполнением математических операций, запрограммированных во внутренней памяти. Эта машина открыла дискуссию по теории автоматов и создала теоретическую базу для работы цифровых компьютеров, которые появились в 1940-е годы.

Родился в семье колониального чиновника в Индии. Обучался в Шерборнской школе и в Кингз-колледже в Кембридже.

Многие математики начала века были озабочены идеей исключения всех возможных математических ошибок путем создания алгоритма для установления истины. Однако математик Курт Гедель (1906-1978) затруднил эти попытки, доказав свои теоремы о неполноте (теоремы Геделя), из которых, в частности, следует, что не существует полной формальной теории, где были бы доказуемы все истинные теоремы математики. Он показал, что любая математическая теория является неполной, поскольку должны существовать теоремы, истинность которых не может быть доказана в пределах данной теории. Под воздействием идей Геделя Тьюринг начал разрабатывать алгоритмический метод, способный определить, является ли данная задача не имеющей решения с целью исключить такие задачи из математики. Однако вместо этого в своей работе «О вычислимых числах» (1936) он доказал, что не существует такого универсального метода для определения вычислимости, и, следовательно, в математике всегда будут задачи, не имеющие решения (в отличие от пока неразрешимых). Работа Тьюринга опровергла мнение Дэвида Хилберта и его школы о том, что любая математическая теория может быть выражена через набор аксиом и теорем.

Тьюринг продолжил учебу в США — в Принстонском Университете, где под руководством американского математика Алонзо Черча в 1938 году получил степень доктора философии. Затем он вернулся в Великобританию, где был избран в совет Кингз-колледжа. Во время Второй мировой войны Тьюринг служил в правительственной шифровальной школе в Блетчли, где с помощью первых вычислительных машин пытались расшифровать германские послания, закодированные шифровальной машиной «Энигма». В конце 1943 г. при участии Тьюринга была построена первая вычислительная машина, использовавшая вместо электромеханических реле 2000 электронных вакуумных ламп, — «Колосс», сыгравшая решающую роль в расшифровке шифров «Энигмы».

В 1945 г. Тьюринг был принят в штат Национальной физической лаборатории в Лондоне, где возглавил разработку большого автоматического вычислительного устройства АСЕ (Automatic Computing Engine). В 1948 г. Тьюринг был назначен заместителем Макса Ньюмена, директора вычислительной лаборатории Манчестерского университета, где создавался компьютер с самой большой по тому времени памятью — манчестерская автоматическая цифровая машина, или «Мадам» (Manchester Automatic Digital Machine), как ее называли в прессе. Тьюринг написал для нее несколько программ, пользуясь буквенно-цифровым кодом.

Работы Тьюринга по ранней технике программирования имели первостепенное значение. Ему также принадлежит мысль о том, что рано или поздно будет создан компьютер, способный мыслить, и предложил простой тест для определения этой способности у компьютера, названный «тестом Тьюринга». Эти работы Тьюринга считаются основополагающими в теории искусственного интеллекта. В 1952 г. Тьюринг опубликовал первую часть своего учения о морфогенезе, развитии форм живых организмов. Эта работа осталась незаконченной, так как Тьюринг, впавший в депрессию в результате принудительного лечения от гомосексуализма, покончил с собой.

В 1937 г. американский математик, сотрудник компании Bell Laboratories Джордж Стибиц (Stibitz) (1904-1995) в домашних условиях сумел создать первую в США электромеханическую схему, выполняющую операцию двоичного сложения — двоичный сумматор.

Работа устройства базировалась на положениях логики Буля, а роль логических вентилей в нем играли электромеханические реле. Двоичный сумматор Стибица является в настоящее время неотъемлемой частью любого цифрового компьютера.

В 1939 г. Стибиц совместно с сотрудником фирмы Сэмюэлем Уильямсом разработал устройство, способное складывать комплексные числа, а также выполнять вычитание, умножение, деление. Это устройство они назвали калькулятором комплексных чисел (Complex Number Calculator).

В 1940 г. аппарат Стибица стал использоваться для вычислений в управлении Bell. При помощи телетайпа он был связан с отдаленными отделениями компании, что позволяло их сотрудникам пользоваться калькулятором на расстоянии.

В1938 г. американский инженер и математик, сотрудник Массачусетского технологического институтаКлод Элвуд Шеннон (1916-2001) защитил докторскую диссертацию, в которой разработал принципы логического устройства компьютера, соединив булеву алгебру с работой электрических схем. Эта работа стала поворотным пунктом в истории развития современной информатики и вычислительной техники.

Дальний родственник Томаса Эдисона, Клод учился в Мичиганском университете, где получил два диплома — по математике и по электротехнике. Затем перешел в Массачусетский технологический институт, где работал под руководством профессора Ванневара Буша на его дифференциальном анализаторе.

С началом войны с Японией, в 1941 г. Шеннон пришел в Bell Telephone Laboratories, где работал над шифровальными кодами, участвовал в создании систем противовоздушной обороны. В Bell Шеннон трудился до 1972 г. и разрабатывал новые принципы функционирования телефонных станций. В 1948 г. опубликовал свой главный труд «Математическая теория связи», в которой представил свою унифицированную теорию передачи и обработки информации. Информация в этом контексте включала все виды сообщений, включая те, что передаются по нервным волокнам в живых организмах. Шеннон предложил измерять информацию в математическом смысле, сводя ее к выбору между двумя значениями, или двоичными разрядами, — «да» или «нет», заложив таким образом фундамент современной теории связи. Во всех коммуникационных линиях используется введенное Шенноном понятие «емкость канала». В 1956 г. он стал членом ученого совета Массачусетского технологического института.

В 1938 г. немецкий инженер Конрад Цузе (Zuse) в домашних условиях собрал электромеханическую машину Z1.

С детства Цузе любил изобретать и строить. Еще учась в школе, создал машину для размена денег. В 1934 г., будучи студентом технического вуза, приступил к созданию универсальной вычислительной машины, которая была бы программируемой и могла решать задачи любого уровня сложности. В то время Цузе ничего не знал о работах Бэббиджа и Буля.

Машина Z1 имела клавиатуру для ввода задач и панель с лампочками, на которой высвечивался результат. Затем Цузе заменил неудобное печатающее устройство на перфоленту, которую изготовил из старой 35-миллиметровой пленки, и назвал новую модель Z2. Когда началась война, Цузе получил поддержку германского правительства на разработку компьютера для военных целей — конструирования самолетов и ракет. В 1941 г., на два года опередив Эйкена, Цузе создал третью модель — Z3, основанную на электромеханических реле и работавшую в двоичной системе счисления. Z3 состояла из 600 реле счетного устройства и 2000 реле устройства памяти. Числа можно было «записать» в память и «считывать» оттуда посредством электрических сигналов, которые проходили через реле. Реле либо пропускали сигнал, либо не пропускали. Машина считывала программу механически шаг за шагом (линейно) и проводила от 15 до 20 вычислительных операций в секунду. В это же время Цузе приступил к постройке Z4, в которой все механические части должны были быть заменены на электронные лампы. Во время бомбежек Берлина все машины Цузе, кроме Z4, погибли.

В послевоенные годы Цузе, не имея ни средств, ни возможности продолжать работу над компьютером, придумал эффективный способ программирования компьютеров — систему числовых и символьных обозначений, построенную на основе логики. Лишь в 1949 г. Цузе приступил к коммерческому производству компьютеров на основе Z4.

Цузе создал систему программирования, которую назвал Планкалкюль (планирующее исчисление), пригодную для решения разнообразных задач, включая сортировку чисел и выполнение арифметических действий в двоичной записи (другие компьютеры того времени работали в десятичной системе). Цузе написал 49 страниц фрагментов программ на Планкалкюле, которые позволяли компьютеру оценивать шахматные позиции.

Многие идеи систематического логического языка остались неизвестными целому поколению специалистов по компьютерной лингвистике. Даже после посещения в конце 1940-х годов США Цузе опубликовал лишь незначительную часть своей работы. Только в 1972 г. работа Цузе была издана целиком. Эта публикация заставила специалистов задуматься над тем, какое влияние мог бы оказать Планкалкюль, будь он широко известен раньше.

В1942 г. американский физикДжон Винсент Атанасофф (Atanasoff) (1903-1995) и его коллега Клиффорда Берри закончили работу над вычислительным устройством, работавшим на вакуумных трубках, которое получило название Атанасоффа-Берри, или АВС.

Аппарат содержал около 300 вакуумных трубок, с помощью которых производились вычисления, использовал двоичный код, мог осуществлять логические операции. Для ввода и вывода данных применялись перфокарты. Аппарат Атанасоффа мог достигать точности вычислений, в тысячу раз превышающей точность дифференциального анализатора Буша, считавшегося в ту пору самым передовым вычисляющим прибором.

Изобретение не принесло Атанасоффу никаких дивидендов. Патент на изобретение получили создатели «Эниака», которым Атанасофф демонстрировал свою машину. Вклад Атанасоффа в изобретение был признан лишь в результате судебного разбирательства между Sperry Rand Corporation, владевшего патентом на «Эниак», и Honeywell, Inc. Было доказано, что практически все основные узлы «Эниака» позаимствованы из АВС и той информации, которую Атанасофф передал Джону Мокли в начале 1940-х годов. В 1973 г. патент на «Эниак» был признан недействительным по решению Федерального суда.

Машина Атанасоффа оказала огромное влияние на развитие компьютерных технологий. Это был первый компьютер, в котором для операций с двоичными числами были применены электронные устройства (вакуумные трубки). Некоторые идеи Атанасоффа до сих пор остаются актуальными, например, использование конденсаторов в запоминающих устройствах с произвольной выборкой, в том числе в оперативной памяти, регенерация конденсаторов, разделение памяти и процесса вычислений.

Вфеврале 1944 г. в Гарвардском университете группой американских инженеров и математиков во главеГовардом Хатауэй Эйкеном (Aiken) (1900-1973) была представлена машина «Марк-1», созданная по заказу ВМС США. Машина была построена на электромеханических реле и оперировала десятичными числами, закодированными на перфоленте. Она могла выполнять любую заданную последовательность из четырех арифметических действий (сложение, вычитание, умножение, деление), а также ссылаться на предыдущий результат без вмешательства человека. Машина имела 15,3 м в длину и 2,4 м в высоту. Вес машины составлял около 35 т, длина проводов — свыше 800 км, количество соединений — более 3 млн. Программировалась при помощи бумажной перфоленты и таким образом могла управляться человеком с минимальной подготовкой. Машина могла оперировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел было необходимо около 4 сек.

Эйкен окончил университет в Мэдисоне (Висконсин). В 1939 г. защитил докторскую диссертацию в Гарвардском университете и в течение некоторого времени преподавал там, пока не был призван в морскую артиллерию. Его направили на одно из предприятий фирмы IBM, где Эйкен вместе с тремя другими инженерами, сотрудниками фирмы, начал работы по созданию автоматической вычислительной машины на основе описания аналитической машины Бэббиджа. Продолжив работу, в 1947 г. Эйкен создал усовершенствованную полностью электрическую модель — «Марк II».

Эйкен был удостоен многих наград США, Франции, Нидерландов, Бельгии и Германии. Он опубликовал множество статей по электронике.