Беседы о поколениях ЭВМ

Н. Бусленко, В. Бусленко

©   Издательство "Молодая гвардия", 1977 г.

Все настойчивее вторгаются электронные вычислительные машины в науку и в народное хозяйство. О зарождении этих машин, принципе их действия, их развитии и влиянии на жизнь человека расскажут член-корреспондент АН СССР Н. Бусленко и его сын кандидат технических наук В. Бусленко.

- Слова - ЭВМ третьего поколения - все чаще встречаются в газетах, журналах, звучат по радио, телевидению. К этим словам мы начинаем уже привыкать, хотя смысл их для нас до конца не ясен.

-В них нет ничего загадочного, вполне понятно, что прогресс техники вызывает к жизни новые, более современные машины, и ЭВМ третьего поколения - не исключение, они по производительности и сферам применения значительно превосходят машины старых марок, работать на них проще и удобнее.

-Но почему переход на новые машины нужно называть сменой поколения? Это что же, отцы и дети?

-Можно согласиться, что термин "поколения ЭВМ", появившийся в 50-е годы в профессиональном жаргоне разработчиков и пользователей вычислительных машин, не без претензий. Однако, оказавшись удобным для общения специалистов, он хорошо прижился и вошел в повседневный обиход.

Под поколением электронных вычислительных машин понимают все типы и модели ЭВМ, разработанные различными конструкторскими коллективами, выпускаемые в разных странах многими предприятиями и фирмами, но построенные на одних и тех же научных и технических принципах. К первому поколению - 40-е и начало 50-х годов - обычно относят ЭВМ на электронных лампах; ко второму поколению - 50-е и начало 60-х годов - машины на полупроводниковых приборах; к третьему - конец 60-х и начало 70-х годов - на интегральных схемах; наконец, к четвертому - 70-е годы - на больших интегральных схемах, сокращенно БИСах, или схемах большой интеграции.

Однако так же, как одно поколение людей отличается от другого не только временем рождения, то есть, возрастом, но и вкусами, взглядами, идеями, возможностью совершенно по-новому посмотреть на одни и те же проблемы, поколения ЭВМ не только различаются временем появления, то есть, уровнем техники, определяющим конструкцию машины, но и совершенно особым подходом к решению традиционных задач. ЭВМ, или компьютеры (латинское computo - означает считаю, вычисляю), от поколения к поколению становятся понятливее, ближе к человеку. В конце концов, оказываются справедливыми даже слова об отцах и детях в том смысле, что машины сами рождают себе подобных. Уже сейчас разработаны системы проектирования, в которых ЭВМ выполняют все основные операции, начиная от создания рабочего проекта ЭВМ новой конструкции и кончая управлением станками-автоматами, изготавливающими для нее детали и узлы.

Переход на новую техническую базу: от электронных ламп - к полупроводниковым приборам, от полупроводников - к интегральным схемам и т.д., приводит к коренным изменениям технологии производства ЭВМ (например, от проводникового монтажа - к печатным схемам), к изменениям их функциональных особенностей (состава блоков и устройств, способов взаимодействия между ними, набора выполняемых операций и др.), а также к изменениям их математического обеспечения (алгоритмического и программного хозяйства). В конечном итоге, коренным образом изменяются возможности машин (быстродействие, объем памяти, способность перерабатывать разнообразную информацию и решать более сложные задачи), а также их экономические и эксплуатационные характеристики (стоимость, потребляемая энергия, надежность и устойчивость в работе и т.д.).

Таким образом, упомянутый отличительный признак поколений ЭВМ (техническая база) обладает, по-видимому, единственным преимуществом - краткостью и является весьма условным. Он не только не претендует на полноту отражения свойств ЭВМ различных поколений, но, к сожалению, в ряде случаев приводит к весьма спорным выводам. Сейчас уже ясно, что можно построить ЭВМ с организацией вычислительного процесса, характерной для третьего поколения, на технической базе второго поколения. Такие машины по своим возможностям ближе к моделям третьего поколения.

Выяснение тенденций, проявляющихся при переходе от одного поколения к другому, - не просто лишь дань истории. Это поможет правильно понять эволюционные процессы, происходящие в вычислительной технике вообще, и получить представление о путях дальнейшего развития ЭВМ и методов их применения. Насколько это важно, можно судить хотя бы по таким данным: сегодня на службе интеллектуальных устремлений человечества находится более 150 тысяч быстродействующих электронных вычислительных машин. Только за одну секунду они в общей сложности производят приблизительно 20 миллиардов арифметических операций. Следовательно, за сутки они выполняют около 2х10¹⁵=20 000 000 000 000 000 действий.

Такой колоссальный объем вычислений вручную выполнить невозможно, даже если все жители нашей планеты будут с утра до ночи не разгибаясь сидеть над расчетами. Естественно, что столь острая потребность в счетных работах характерна лишь для последних десятилетий нашего века. Лавинообразный рост объема вычислений - одна из наиболее ярких тенденций современности! Но человечество пришло к этому не сразу.

На заре цивилизации наш предок - первобытный человек - мало нуждался в расчетах. Житель каменного века, пожалуй, вполне обходился несколькими простейшими вычислениями в неделю.

Первое заметное расширение потребностей древнего человека в вычислениях связано с ростом торговли. Купец для подсчета барышей или убытков уже нуждался в десятках и сотнях арифметических операций. Развитие мореплавания требовало решения задач ориентирования по звездам, прокладки курса кораблей.

Потребности в астрономии, усовершенствование календаря и счета времени стимулировали модернизацию методов вычислений. Были созданы плоская и сферическая тригонометрия, а также приемы вычислений с высокой точностью. Здесь речь шла о тысячах и десятках тысяч операций.

К началу эпохи Возрождения астрономические расчеты обретают вполне современный вид. Они играли основную роль в выдающихся работах Тихо Браге, Н. Коперника, И. Кеплера и других ученых, заложивших основы знаний о строении вселенной.

Появившиеся разнообразные таблицы тригонометрических функций и логарифмов облегчили и ускорили счет: они позволяли рассчитывать орбиты небесных тел и с высокой точностью предсказывать важнейшие космические события на много лет вперед. К этому моменту сколько-нибудь серьезные расчеты требовали уже весьма значительного объема вычислений. Например, известный французский астроном У. Леверье, предсказавший существование планеты Нептун по расчетам, как говорится, открывший ее "на кончике пера", занимался вычислениями параметров орбиты практически всю жизнь. И действительно, опытный вычислитель способен произвести не более 600 операций в день. То есть за 50 лет один человек смог бы проделать всего 10 миллионов операций. "Всего" потому, что современной ЭВМ средней мощности на ту же работу хватает несколько секунд.

Наступил XVII век. В это плодотворное время создается математика переменных величин - анализ бесконечно малых; закладываются научные основы современной физики, механики, химии. В технику проникают сложные механизмы и точные приборы. После открытий И. Ньютона и Р. Гука вычисления вторгаются в строительную механику и машиностроение.

Появляются методы расчета мостовых ферм и опор на прочность и устойчивость. Со временем расчеты сооружений становятся задачей повседневной жизни. И хотя для решения каждой из них требуется не так уж много - порядка сотен тысяч (10⁵-10⁶) операций, - из-за значительного числа их общий объем вычислений вырастает в сотни раз.

Нельзя не подчеркнуть, что именно к этому времени относится и широкое распространение коммерческих расчетов. Объем вычислений здесь даже превышает потребности техники и астрономии. Именно коммерческие расчеты стали основным полем применения арифмометров, разработка которых, кстати, началась также в XVII веке. Вплоть до середины нашего столетия арифмометр чаще можно было видеть на столе у бухгалтера и счетовода, чем у инженера, конструктора или проектировщика. (Фото арифмометров)

Однако научные и инженерные расчеты недолго плелись в хвосте. В 40-е и 50-е годы нашего века всплеск потребностей в вычислении произошел в связи с аэродинамическими и баллистическими расчетами скоростных самолетов и ракет, расчетом орбит искусственных спутников Земли и межпланетных кораблей. Важное место заняли также расчеты ядерных реакторов и решение задач проникновения частиц через вещество, проектирования энергетических комплексов и гидротехнических сооружений. Каждая из упомянутых задач требует в среднем десяток миллиардов (10⁹-10¹¹) арифметических операций, но и она легко может быть решена за несколько часов на ЭВМ среднего класса.

В сфере науки и техники (гидродинамика, фильтрация нефти и газа, оптимальное управление, системный анализ и так далее) в настоящее время встречаются и задачи-уникумы, на решение которых требуется в 100-200 раз больше арифметических операций (10¹²-10¹⁴). Эти колоссальные вычисления могут могут быть проведены в приемлемое время лишь на новых сверхбыстродействующих компьютерах, имеющих скорость счета порядка сотен миллионов операций в секунду.

В последние годы коммерческие расчеты, отставшие было от научных, близки к тому, чтобы взять реванш. Управление экономикой страны: сбор информации о производстве, учет выпуска и движения изделий, составление годовых и пятилетних планов развития народного хозяйства, согласование межотраслевых балансов в промышленности и т.д. - требует, по данным академика В. Глушкова, порядка 10¹⁶ арифметических операций в год. Для выполнения этого огромного объема вычислений потребуется круглосуточная работа в течение года около 1000 современных ЭВМ, с быстродействием каждой более миллиона операций в секунду.

-Ясно, что сложные задачи без ЭВМ решать практически невозможно! И удивительно, как человечество справлялось со своими потребностями раньше, когда компьютеров не было и в помине.

- Действительно, компьютеров не было, но были их механические предки. Ведь проблема "механизации" счета так же стара, как и сам счет. Простейший же из всех известных "счетных приборов" человек всегда имеет под рукой - это его 10 пальцев!

Природа снабдила нас великолепным естественным компьютером. Он обладает немаловажными достоинствами, которыми современные инженеры стремятся наделить разрабатываемые счетные устройства. Это простота и надежность, компактность и удобство "хранения" и "транспортировки", это и то, что он всегда "под рукой". Работает он в привычной системе счисления - десятичной, а что до техники вычислений, так еще в VIII веке монах Беда Достопочтенный составил описание правил счета, согласно которому различные загибы пальцев позволяют изображать единицы, десятки, сотни и тысячи, а определенные жесты рук - считать до миллиона. Есть, однако, у пальцевого счета и недостатки. Самый существенный из них - неудобство хранения результатов даже в течение короткого времени. Здесь качество всегда быть под рукой оборачивается своей теневой стороной.

Одним из первых в словаре русского языка стоит слово "абак" или "абака". Переводится оно как "счетная доска". Слово это греческое и в дословном переводе означает "пыль". При чем тут пыль? Очень просто: на специальной доске в определенном порядке раскладывались камешки, а чтобы они не скатывались, доска покрывлась слоем песка или пыли.

Абак считается первым и долгое время оставался единственным счетным прибором древних народов. Наши счеты с костяшками тоже абак, только модернизированный. Вместо пыли - проволочные спицы. Еще знаменитый древнегреческий математик Пифагор стремился ввести вопросы счета на абаке в качестве обязательного раздела в курс математики. В Европе наиболее известными сочинениями на эту тему является работа французского монаха X века Герберта "Правила счета на абаке". Его современников так поражала способность монаха выполнять умножение и деление очень больших чисел, что они, по душевной простоте, обвинили его в сделке с дьяволом.

Издавна использовали абак и на Руси. В рукописной книге XV века "Счетная мудрость" так описывается "счет костьми" (вишневыми или сливовыми косточками). "Указ, како костьми считати. Возьми перед себя стол или доску, на чем тебе пригодитца великий счет считати. И прочерти черту мелом к себе концом, да поперек себя 6 или 7, или более, каков счет хочеши считати и снизу от себя отчерти три черты простых, а на четвертой черте на споях накресть перечерти для памяти и будити ведомо первой крест туго кладутца 1000, а на другом кресту кладутца 1 000 000..."

Особенного развития достигли вычисления на абаке в Древнем Китае. Операции на счетной доске в древнекитайской математике не являлись лишь вспомогательными: абак и действия на нем составляли сущность самой математики. Математическая задача считалась решенной только в одном случае - если ответ можно было воспроизвести на счетной доске. А китайцы могли производить на абаке деления и действия с дробями, извлечение квадратных и кубических корней. На счетной доске вычислялись даже корни системы линейных уравнений!

Здесь стоит отметить, что приведение математической задачи к виду, допускающему решение на абаке, имеет огромное методологическое значение. Правила решения задачи на счетной доске должны представлять собой совокупность четких предписаний, показывающих, как свести данную задачу к конечной последовательности арифметических действий. В процессе дальнейшего развития системы правил и предписаний, выражающих решение задачи через простейшие операции, получили название алгоритмов, а приведение задачи к такому виду - алгоритмизацией задачи.

Это замечательное открытие и породило взгляд на вычисление как рутинный процесс, состоящий в выполнении простейших арифметических действий по заранее составленной схеме. Но известно, что человеческий разум всегда стремился переложить рутинную работу на механизмы. Так были изобретены ткацкий станок, швейная машинка и другие механические помощники человека. Разумеется, человечество не могло долго мириться с ручным выполнением рутинной работы в области вычислений.

Первые идеи механизировать рутинную часть вычислительного процесса появились еще в XVII веке. В 1623 году профессор математики и астрономии Тюбингенского университета В. Шикард в письме к И. Кеплеру описывает устройство и принцип действия первой из известных в мире вычислительных машин. Суммирующее устройство его машины является соединением зубчатых передач. Оно имело несколько осей с десятизубыми шестернями и вспомогательными однозубыми колесами (пальцами) для передачи десятка в следующий разряд. Шестеренка следующего разряда делала одну десятую поворота при полном повороте шестерни данного разряда. Это же устройство служило для вычитания, но шестеренки нужно было вращать в другую сторону, а также для деления, которое заменялось повторным вычитанием делителя из делимого.

Множительное устройство имело шесть барабанов с навернутыми на них таблицами умножения, используемыми для умножения разрядов. Общее произведение получалось как сумма произведений по разрядам. Запоминающее устройство представляло собой набор цилиндров с нанесенными на них цифрами. Поворотом можно было установить нужную цифру в любом разряде.

Как это ни удивительно, но изобретение В. Шикарда не получило практически никакой известности. По-видимому, лишь узкий круг лиц был осведомлен о создании этой машины. Упоминание о ней не встречается ни в одной из известных работ современников. Может быть, именно поэтому долгое время считалось, что первый арифмометр (от греческого arithmos - число и mero - меряю) изобрел в 1641 году знаменитый французский ученый Б. Паскаль.

Если счетная машина Шикарда осталась неизвестной современникам, то популярность машины Паскаля превзошла все возможные границы. Толпы людей стекались в Люксембургский дворец в Париже, где она была выставлена на всеобщее обозрение. Машина произвела на современников неизгладимое впечатление, о ней слагались легенды, ей посвящались поэмы.

В полученной в 1649 году Б. Паскалем за изобретение машины королевской привилегии говорится: "Главное изобретение и существенное достижение состоит в том. что каждое колесо или стержень некоторого разряда заставляет двигаться следующую только на одну цифру".

Хотя арифмометр Паскаля представлял собой суммирующую машину, построенную по тем же принципам, что и забытая машина Шикарда, труды Паскаля оказали значительное влияние на весь дальнейший ход развития вычислительной техники. Не избежал этого влияние и великий Г. Лейбниц - создатель (вместе с Ньютоном) одного из основных разделов современной высшей математики - дифференциального исчисления.

Счетная машина Г. Лейбница (1673 г.) была заметной вехой на пути совершенствования арифмометров. На ней можно было не только складывать и вычитать, но также умножать и делить многоразрядные числа. В письме к Т. Бернету Г. Лейбниц писал: "Мне посчастливилось построить такую машину, которая бесконечно отличается от машины Паскаля, так как дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию".

В основе множительного устройства этой машины лежит, как теперь называют его, ступенчатый валик Лейбница, надолго определивший принципы построения счетных машин. Он представляет собой цилиндр с зубцами разной длины, которые взаимодействуют со счетным колесом. Передвигая колесо вдоль валика, его вводят в зацепление с необходимым числом зубцов и обеспечивают установку определенной цифры.

Интересно, что один из экземпляров своей машины Г. Лейбниц собирался подарить русскому царю Петру I, находившемуся в то время за границей. Однако в последний момент в машине обнаружились неполадки, ее отдали в починку, ремонт затянулся, и русский царь уехал без машины.

Вплоть до конца XIX века идея Лейбница совершенствовалась и развивалась различными изобретателями, проекты появлялись, как грибы после дождя.

Среди многих вычислительных устройств XIX века нельзя не отметить наиболее оригинальную конструкцию арифмометра, построенную великим русским математиком Пафнутием Львовичем Чебышевым. В ее основу был положен изобретенный П. Чебышевым принцип "непрерывной передачи десятков". Современник В. Фон Боль писал: "Русский математик и академик П. Л. Чебышев изобрел арифмометр оригинального типа... Прибор этот имеет выдающиеся достоинства и во многих отношениях стоит выше всех существующих приборов этого рода".

Принцип непрерывной передачи десятков состоит в том, что шестеренка единиц, делая полный оборот, поворачивает шестеренку десятков на 1/10 оборота, а шестеренку сотен на 1/100 и т.д., чем обеспечивается плавное изменение угла поворота всех вступающих во взаимодействие колес.

Этот принцип получил настоящее признание гораздо позже, лишь с применением электропривода. При дискретной (прерывистой) передаче десятков неизбежно появлялись толчки, приводящие к разбалансированию всего механизма. При непрерывной передаче ход машины плавный, что позволяет без опасения поломок значительно увеличить скорость работы механических вычислительных устройств.

Впервые "серийное производство" счетных машин наладил эльзасский уроженец К. Томас. Сконструированный им в 1818 году арифмометр выпускался с различными усовершенствованиями в течение 100 лет по 300-400 экземпляров в год, что по тогдашним масштабам считалось массовым производством.

Совершенство и простота конструкции арифмометра К. Томаса завоевали ему всеобщее признание. Казалось, нельзя создать более совершенный прибор, однако в 1890 году Вильгорд Теофилович Однер, петербургский изобретатель, записал в своем дневнике: "После 15 лет труда и постоянных улучшений мне удалось построить аппарат, превосходящий значительно изобретенные моими предшественниками". (Статью об арифмометре Однера читайте здесь)

Арифмометр Однера был построен на новых принципах. Главным его элементом является колесо Однера - зубчатка с переменным числом зубцов. Оно оказалсь настолько совершенным, что не претерпело никаких принципиальных изменений до наших дней. Колесо Однера имеет 9 выдвижных спиц. Число выдвинутых спиц определяется углом поворота установочного рычажка до соответствующей цифры на шкале.

В последний год XIX века В. Однеру удалось организовать большое предприятие.

В Петербурге на Васильевском острове в Тараканьевском переулке, где был расположен завод В. Однера по производству арифмометров, зародилась новая в России отрасль промышленности - производство вычислительных машин. С тех пор вычислительная техника является одной из важнейших отраслей отечественного приборостроения.

- Известно, что появление электричества произвело подлинную революцию во многих отраслях техники. Область счетных машин также не осталась в стороне.

- Действительно, распространене электричества, в особенности, развитие техники слабых токов, породило плодотворную идею использовать электрическую энергию в счетных машинах. Однако первые "достижения" в этой области не выходили за рамки замены мускульной силы человека, вращающего ручку счетного механизма.

Сам механизм, поначалу остававшийся неизменным, стал также постепенно модернизироваться. Например, с увеличением скорости работы произошел поголовный переход на клавишный принцип набора цифр, так как использовавшийся рычажный набор на больших скоростях приводил к значительному проценту ошибок. Появились машины, записывающие результат на бумажной ленте, а также другие комбинации счетных и пишущих машинок.

Однако мир с нетерпением ожидал и сугубо электрических нововведений в счетной технике. И он не заставил себя ждать.

В 1890 году в США при обработке результатов очередной переписи населения был впервые использован новый счетный аппарат - табулатор, изобретенный сотрудником Бюро цензов Г. Голлеритом. Название свое машина Голлерита получила от латинского слова "табула", что означает "доска". Не зная конструкцию табулятора, трудно догадаться, какое отношение может иметь доска к электрической счетной машине. Впрочем, одна счетная доска нам уже знакома - это древний абак. Другая знаменитая доска - коммутационная - с успехом применена Г. Голлеритом для управления вычислительным процессом.

Примитивная программа, которую могла воспринять машина Голлерита, задавалась путем коммутации, то есть соединения между собой электрических контактов на коммутационной доске. Тот, кто видел работу телефонистки на ручном коммутаторе, может приблизительно представить себе процесс задания программы для табулятора Голлерита.

Принцип, заложенный в счетной машине Г. Голлерита, был подсказан самой методикой проведения переписи. В то время на каждого человека, захватываемого переписью, заводилась специальная карточка, разбитая на несколько колонок, соответствующих числу вопросов. Положительный ответ отмечался галочкой в нужной колонке. Обработка результатов переписи сводилась поэтому к чисто механическому подсчету числа галочек в одноименных колонках группы карт. Г. Голлерит использовал те же самые карты, лишь заменив галочку пробиваемым в карте отверстием.

Пробивка отверстий производилась на специальном устройстве - перфораторе. За час на нем можно было подготовить примерно 80 карточек, то есть, столько же, сколько и выписать вручную, норади дальнейшей экономии времени приходилось на это идти. Перфокарты после пробивки укладывались на специальный воспринимающий пресс над чашечками с ртутью. По мере прохождения их под контактами пресса все отверстия в картах замыкали электрическую цепь через ртуть, и на счетчике, соответствующему данному вопросу, происходил отсчет единицы. Работа табулятора, таким образом, сводилась к суммированию числа положительных ответов на различные вопросы переписи. Меняя коммутацию, можно было обрабатывать также различные комбинации признаков.

Один человек на табуляторе Голлерита пропускал за час примерно 1000 карточек, при этом можно было получать данные по девяти различным таблицам. Отработанные карточки автоматически раскладывались по соответствующим ячейкам сортировального ящика для последующих пропусков.

Источником питания для машины служили электрические батареи. При конструировании своего табулятора Г. Голлерит использовал успехи в технике слабых токов. Хотя счетчики в ней были механические, управление осуществлялось уже электрическими импульсами, возникающими при замыкании контактов через отверстия перфокарт. Слабые токи, таким образом, впервые использовались для ввода чисел и для управления работой машины.

Со временем различные усовершенствования машины превратили табулятоп в современный счетно-пишущий аппарат, воспринимающий колоду сгруппированных перфокарт и воспроизводящий разнообразные подсчеты с записью результатов на постепенно разворачивающемся рулоне.

В России машина Голлерита впервые использовалась для переписи населения в 1897 году. В 30-е годы в СССР было налажено отечественное производство современных табуляторов и перфорационных машин.

Перфорационные машины обычно работают в составе специальных комплексов. В каждый, кроме табуляторов, входят другие вычислительные (обычно суммирующие) машины, а также устройства для набивки перфокарт, контрольники для проверки правильности нанесения информации, устройства вывода информации на перфокарты, печатающие устройства и т.д.

К сожалению, из-за механического принципа действия перфорационные машины не обладают высокими скоростями счета. Они сокращали время обработки информации по сравнению с клавишными автоматами всего в несколько раз. Однако перфорационная вычислительная техника завоевала себе весьма широкую популярность. Табуляторами, сортировками и перфорационными машинами были оснащены многие счетные фабрики для обработки экономической и демографической информации. В Советском Союзе комплекты перфорационных счетных машин многие годы стояли на вооружении машиносчетных станций системы Центрального статистического управления, покрывающих практически всю территорию страны.

XX столетие поставило перед вычислительной техникой ряд сверхсложных задач аэродинамики, гидротехники, космической баллистики, ядерной энергетики, математической экономики и т.д. Предпринимаемые попытки организовать решение этих задач на клавишных автоматах не давали сколько-нибудь существенных результатов. Созданные вычислительные бюро и счетные фабрики, насчитывающие в своем составе сотни вычислителей, столкнулись с непреодолимыми трудностями организации.

- Как же получилось, что совершенные счетно-перфорационные машины и клавишные автоматы, выпускаемые в достаточном количестве, не смогли удовлетворить запросы практики в области автоматизации вычислений?

- Все дело в том, что они автоматизировали только отдельные вычислительные операции, новые же задачи требовали автоматизации всего хода вычислений!

Процесс решения задачи, или, как говорят, вычислительный процесс при коллективной работе расчленился на большое число подзадач, поручаемых отдельным вычислителям. По мере решения этих подзадач, должен был продвигаться вперед и "сводный расчет", который использует результат хода решений подзадач для решения одной общей исходной проблемы. Однако оказалось, что сложность организации и стыковки расчетов с ростом сложности задач растет так быстро, что в конце концов выходит за рамки возможностей человека.

Здесь надо отступить от хронологического принципа и вернуться к началу XIX века на берега туманного альбиона.

В то время внимание ученых привлекали оригинальные работы профессора Кембриджского университета Чарльза Бэбиджа - крупного математика и замечательного человека своего времени. Это ему принадлежит идея "полностью" автоматической вычислительной машины с программным управлением. Изобретение это настолько опередило свое время, что не было реализовано при жизни его автора. Полное осуществление идеи Бэбиджа получили только в XX веке при создании ЭВМ.

Круг интересов Бэбиджа был чрезвычайно широк. Он работает над словарем и составляет грамматику "мирового универсального языка". Его перу принадлежит "Таблица констант числа млекопитающих", содержащая данные о частоте пульса и дыхательного цикла животных, с которыми ему приходилось сталкиваться во время путешествий. Однажды он выпустил статью "Об искусстве открывания всех замков".

Вместе с тем Ч. Бэбидж был крупным математиком своего времени. В 1828 году он избирается на одну из самых почетных должностей - профессора Люкасовской кафедры Кембриджского университета. Перед ним эту должность занимали И. Барроу, И. Ньютон, а позднее П. Дирак - соратник А. Энштейна и один из известнейших специалистов по теоретической физике. Однако при всей своей широте интересов основной деятельностью Ч. Бэбиджа оставалась разработка проекта вычислительной машины нового типа.

Любопытно вспомнить, что вычислительное бюро и "счетные фабрики" века электричества (середины XX столетия), которые создавались чуть ли не в каждом институте и конструкторском бюро, имели своего предшественника, существовавшего еше в "век пара".

В конце XVII столетия французское правительство в связи с переходом на метрическую систему мер решила ввести принцип десятичности и в измерение углов: делить окружность не на 360 градусов, а на 400 частей. В результате потребовалось пересчитать огромное число таблиц, в первую очередь тригонометрических.

Эта работа была выполнена в удивительно короткий срок. Секрет скорости состоял в организации в Париже специальных "вычислительных мастерских". Весь персонал вычислительной мастерской разбивался на три группы. В первую, весьма немногочисленную, входили математики, которые выводили формулы и составляли уравнения для соответствующих расчетов. Вторая группа занималась преобразованием формул к виду, удобному для вычислений при помощи простейших арифметических действий. Наконец, третья - наиболее многочисленная, приблизительно 100 человек, - выполняла все необходимые вычисления, используя только простейшие арифметические операции.

Важно подчеркнуть, что сотрудники третьей группы не знали математики, за исключением начал арифметики, и обычно не имели представления о сущности решаемых задач. Они действовали совершенно машинально, точно выполняя составленные для них предписания (программы расчетов). Считается, что именно это обстоятельство способствовало уменьшению числа ошибок в упомянутых элементарных расчетах.

Знакомство Ч. Бэбиджа с особенностью разделения труда в "вычислительных мастерских" Парижа, по-видимому, и породило идею создать устройство, обеспечивающее автоматическое выполнение заданной программы вычислений. Таким образом, машина Бэбиджа должна была земенить механическую работу самой многочисленной - третьей - группы вычислителей.

Машина Бэбиджа по проекту включала в себя следующие основные части. Первая - блок хранения исходных данных и промежуточных результатов. Он состоял из набора колес, где каждая цифра обозначалась, как и в арифмометрах, углом поворота колеса. Колеса собирались в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. Ч. Бэбидж называл это устройство "складом"; в современных вычислительных машинах устройство такого типа называется "памятью" или запоминающим устройством.

Вторая часть - блок, в котором осуществлялись необходимые операции над числами, взятыми из "склада". Бэбидж называл его "фабрикой", а сейчас подобное устройство называется "арифметическим".

И третья - блок, управляющий последовательностью операций, выполняемых над числами. Бэбидж называл его "конторой", а сейчас это - "устройство управления".

В машине предусматривались различные способы выдачи результатов: печатание на пишущей машинке, пробивка отверстий на перфокартах или металлических пластинках и т.д. Для создания памяти, где хранилась информация, Ч. Бэбидж использовал не только колесные регистры, но и большие металлические диски с отверстиями. В памяти на дисках хранились таблицы значений специальных функций, которые использовались в процессе вычислений.

Главное и поразительное отличие машины Бэбиджа от всех изобретенных до него заключается в принципе "программного управления" вычислительным процессом. Сущность этого принципа состоит в следующем.

Пусть нам требуется вычислить величину y из элементарного управления ax+by=c при известных коэффициентах уравнения a, b, c для заданных значений x. Программу, или алгоритм, наших действий можно записать в виде совокупности следующего предписания:

        1. Взять очередное значение x.
        2. Умножить величину x на коэффициент a.
        3. Вычесть результат ax из значения c (что соответствует переносу ax в правую часть, то есть by=c-ax).
        4. Разделить результат c-ax на коэффициент b (что соответствует ).
        5. Выдать результат y.
        6. Перейти к вычислению следующего значения y при новом x.

Если вычислительная машина обладает памятью, в которую можно записать программу вычислений (совокупность предписаний 1-6), значения коэффициентов a, b, c и набор значений x, для которых требуется вычислить величину y, и если при этом машина способна выполнять предписания в заданном порядке без вмешательства человека, то мы получим автоматический вычислительный процесс.

Ч. Бэбиджу принадлежит также идея использовать для управления вычислительной работой машины перфорированные карты.

В 1804 году французский механик Ж. Жакар демонстрировал ткацкий станок, управление которым осуществлялось с помощью специальных картонных карточек с пробитыми (перфорированными) отверстиями диаметром 1-2 миллиметра. Использование большого числа перфокарт, идущих одна за другой, позволяло ткать любой сложности узор. Так, для изображения ковра, на котором изображалось развевающееся знамя, требовалось без малого 14 000 таких карточек.

После изобретения Жакара перфорированные карты получили широкое распространение в наборных типографских машинах, музыкальных аппаратах, словом, везде, где было необходимо согласовать разнородные действия нескольких взаимодействующих механизмов.

"Карты только указывают сущность вычислительных операций, которые должны быть совершенны, и адреса переменных, на которые эти действия направлены. Машина ткет алгебраический узор, как ткацкий станок Жакара - листья и цветы..." Такой поэтической фразой описывала работу машины Ч. Бэбиджа графиня Лавлейс - дочь великого английского поэта Дж. Байрона. Долгое время она была соратником Ч. Бэбиджа в его работой над счетной машиной, ей даже принадлежит опубликованная в 1840 году одна из первых программ для вычислительной машины - это расчет таблицы чисел, известных в математике как числа Бернулли.

В своих комменариях к переводу статьи о машине Бэбиджа Лавлейс коснулась ряда важных вопросов, относящихся к структуре машины и к порядку работы на ней. Эту публикацию, по-видимому, следует считать первой в истории науки работой по программированию для вычислительной машины.

Наряду с принципом программного управления вычислительным процессом, не менее выдающимся достижением Бэбиджа является внедрение команды (операции) условного перехода. Благодаря ей, машина получила способность выбирать в каждый момент времени путь вычислений в зависимости от значения признака полученного в результате предыдущих расчетов. В качестве дальнейшего пути расчетов могло быть предусмотрено продолжение выполнения программы, переход к какой-нибудь другой ее части, пропуск определенного числа инструкций и другие возможности.

Внедрение команды условного перехода ознаменовало собой начало автоматического выполнения не только арифметических, но и нескольких логических операций, что, безусловно, поднимало интеллект вычислительных машин на качественно новую ступень.

Все части машины были задуманы Ч. Бэбиджем как чисто механические с применением последних достижений того времени в области счетной техники.

В 1835 году Бэбидж писал президенту Брюссельской академии наук: "Я сам удивляюсь могуществу составляемой мной машины; за год перед сим я не поверил бы в возможность такого результата. Эта машина может производить действия над ста переменными числами, которые могут изменяться, каждое число может состоять из 25 цифр..."

Ч. Бэбидж следующим образом оценивал быстродействие своей машины. Сложение и вычитание - одна операция в секунду. Умножение 50-разрядных чисел - одна операция в минуту. Деление 100-разрядного числа на 50-разрядное - одна операция в минуту.

Объем памяти машины Бэбиджа составлял 100 чисел длиной в 50 десятичных разрядов.

Разработка и построение счетной машины в то время было делом очень сложным. Ч. Бэбиджу приходилось изобретать не только отдельные узлы и детали машины, но и механизмы и приспособления, необходимые для изготовления этих узлов и деталей. В процессе работы он выполнил свыше 200 подробных чертежей, в общей сложности спроектировал около 50 000 деталей. Нехватка квалифицированных механиков и денег, бесконечные поправки и улучшения привели к тому, что работы по созданию машины продвигались крайне медленно. В начале 1833 года часть машины была построена и работала с запланированной скоростью. Несмотря на это, дальнейшую работу пришлось прекратить. Незаконченная машина вместе с чертежами была сдана на хранение в музей королевского колледжа в Лондоне.

Идеи Ч. Бэбиджа, относящиеся к структуре полностью автоматизированной счетной машины и принципов ее работы, удалось реализовать лишь в середине XX столетия в современных компьютерах. Простое перечисление проблем, которые поставил и попытался решить Ч. Бэбидж, создает впечатляющую картину. Многие идеи поражают своей глубиной и силой предвосхищения современных путей развития вычислительной техники. Однако, прежде чем они были реализованы, прошло еще много лет.