Проект какой машины был разработан чарльзом бэббиджем
Чарльз Беббидж считается основателем современной вычислительной техники. В работе Чарльза Бэббиджа прослеживается два направления: разностная и аналитическая вычислительная машины. Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и является предшественницей современных ЭВМ.
Первая небольшая модель аппарата Чарльза Бэббиджа
В 1822 году Чарльз Бэббидж создал первую небольшую модель своего аппарата, получившего название «разностная машина». Механизм разностной машины состоял из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Разностная машина могла управлять шестизначными числами и выражать в числах любую функцию, которая имела постоянную вторую разность. Ценность разностной машины Чарльза Бэббиджа в том, что она могла не только производить один раз заданное действие, но и осуществлять целую программу вычислений. Сам Бэббидж достаточно ясно представлял назначение своей машины. Он пропагандировал использование математических методов в различных областях науки и предсказывал при этом широкое применение вычислительных машин.
Первая в мире разностная аналитическая вычислительная машина Чарльза Бэббиджа
Первая в мире разностная аналитическая вычислительная машина Чарльза Бэббиджа
Принцип аналитической машины Чарльза Бэббиджа
Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и является предшественницей современных ЭВМ.
Основные части аналитической машины
Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей:
Аналитическая машина так и не была изготовлена Чарльзом Бэббджем. Кроме хронической нехватки финансовых средств, важнейшая из причин — технологическая. Тогда не умели обрабатывать металл с высокой степенью точности и с высокой производительностью — а для реализации проекта требовались тысячи одних только зубчатых колес.
Большое влияние на посмертную судьбу машины оказал генерал Бэббидж, сын изобретателя. Выйдя в отставку в 1874 году, он несколько лет посвятил изучению отцовского наследия, а в 1880 году начал работу по восстановлению Difference Engine в «железе». Работа продолжалась с переменным успехом до 1896 г. В конце концов к 1904 году был создан небольшой фрагмент машины, который печатал результаты вычислений. Кроме того, Бэббидж-младший сделал несколько мини-копий Difference Engine и разослал их по всему миру.
В 1991 году, к двухсотлетию со дня рождения ученого, сотрудники лондонского Музея науки воссоздали по его чертежам 2,6-тонную «разностную машину № 2», а в 2000 году — еще и 3,5-тонный принтер Бэббиджа. Оба устройства, изготовленные по технологиям середины XIX века, превосходно работают — в расчётах Бэббиджа было найдено всего две ошибки.
Разностная машина № 2 Чарльза Бэббиджа
Протокомпьютер Чарльза Бэббиджа, кропотливо воплощенный в жизнь
«Я молю Бога, чтобы эти расчеты могли выполняться паром».
Кембриджский математик Чарльз Бэббидж был настоящим пионером раннего периода вычислительных машин. С молодых лет ученый очаровывался автоматами, выставленными в знаменитом Механическом музее Лондона. В своих мемуарах он писал, что еще в детстве его неизменный вопрос при получении новой игрушки был: «Мама, а что у нее внутри?».
На разработку первого прототипа ЭВМ в 1822 году Бэббиджа подтолкнуло разочарование тем фактом, что все математические таблицы, рассчитанные человеком, обязательно содержали ошибки. Не смотря на влияние и богатство ученого, его замыслы были слишком затратными и он так и не смог завершить вычислительную машину при жизни. К счастью, после себя он оставил множество записок, диаграмм и частей механизмов, которые позволили современным инженерам и механикам воссоздать две викторианские вычислительные машины.
Его первый проект, названный «Разностная машина № 1» («Difference Engine #1»), представлял собой огромный механизм, состоящий из 25 000 деталей. Создание подобной машины было весьма затруднительно в эпоху, когда было не так много нестандартных инструментов и оборудования.
Бэббидж был ученым-математиком и изобретателем, членом престижного Королевского общества, но он не был механиком. Ему пришлось полагаться на навыки других, чтобы воплотить свои идеи по созданию машины в жизнь. Это было основной сложностью, так как существовали ограничения в технологии точного изготовления инструментов той эпохи. С этим, отчасти, связана другая проблема — вспыльчивый нрав Бэббиджа.
Единственным механизмом машины, который Чарльз Бэббидж увидел при жизни, стала небольшая часть двигателя, которую инженер-механик Джозеф Клемент создал для него в 1832 году. Последовавшие затем споры по поводу оплаты и личностный конфликт положили конец их отношениям. Эта часть двигателя обошлась Бэббиджу в невероятные для тех времен 17 500 фунтов стерлингов. Это был полный провал.
Несмотря на то, что Бэббидж получил лишь малую часть желаемого механизма, этого хватило, чтобы на примере его работы ему удалось успешно продемонстрировать обоснованность своих общих концепций. Эта небольшая часть механизма выставлена в Музее Пауэрхаус в Сиднее, Австралия.
В 1833 году Бэббидж встретил юную Аду Лавлейс, дочь поэта лорда Байрона, которая в свои 17 лет уже была блестящим математиком. Она была первой, кто осознал потенциал машины оперировать вещами, отличными от чисел.
Его второй проект содержал самую прорывную его идею. Аналитическая машина, разработанная для выполнения сложных вычислений, работала на пару и действительно может считаться предшественником современного компьютера. К сожалению, проект так и не был реализован. Небольшая часть этой машины, завершенная его сыном Генри в 1910 году, представлена в лондонском Музее науки.
Однако наибольшую известность ученому принесла «Разностная машина № 2» — все еще простая вычислительная машина, но претерпевшая значительные улучшения и требующая гораздо меньшего количества деталей. Бэббидж умер в 1871 году, так и не увидев, как его мечты сбываются. Он похоронен на кладбище Кенсал-Грин.
Рабочие прототипы различных частей машины были протестированы при жизни Бэббиджа и после его смерти. Но только в 1991 году, в честь 200-летия со дня рождения Чарльза Бэббиджа, Лондонский музей науки построил полностью рабочий прототип «Разностной машины № 2». Строительство курировал Дорон Свейд, который написал книгу «Разностная машина: Чарльз Бэббидж и поиск первого в мире компьютера» о 17-летнем проекте по созданию двигателя. Команда музея работала над проектом на основе архивов документов Бэббиджа и 20-страничного чертежа машины. Исправить пришлось только несколько незначительных ошибок в оригинальном дизайне.
В результате получился 2,6-тонный латунный станок, который отличается не только прекрасной функциональностью, но и внешним видом, особенно когда оживают его многочисленные вращающиеся детали. «Разностная машина № 2» 1991 года выпуска выставлена в лондонском Музее науки вместе с половиной мозга Бэббиджа. Другая половина находится в музее Хантериан в Лондоне.
В 2008 году в Маунтин-Вью, в Калифорнийском музее компьютерной истории, было представлено второе воплощение «Разностной машины № 2», также созданное Лондонским музеем науки. Проект финансировался Натаном Мирволдом, миллионером, работающим в Microsoft. Технически, музей выставляет двигатель на правах долгосрочной аренды, и в какой-то момент он может быть перенесен в шикарную гостиную в Силиконовой долине.
Полезно знать
Ближайшая станция метро — Южный Кенсингтон на линиях Дистрикт, Серкл и Пикадилли.
Аналитическая машина Бэббиджа. Часть третья — заключительная
(Для начала советую прочесть первую и вторую части статьи.)
Разностная машина Чарльза Бэббиджа впервые позволила автоматизировать процесс вычислений и производить его в некоторой степени без вмешательства человека. Как было сказано в предыдущей части, для вычисления функций типа логарифма, тригонометрических функций и прочих, их необходимо было разбить на участки, каждый из которых представлялся своим многочленом, и только потом можно было произвести расчёт значений функции для данного участка. Переходя от одного многочлена к другому, оператор машины должен был вручную ввести все исходные значения регистров. К тому же машина позволяла производить только операцию сложения, что было не много даже по меркам 19го века.
Раздумывая над этой проблемой, Бэббидж пришёл к выводу, что можно построить такую машину, которая бы сама меняла значения исходных регистров в зависимости от значения результата. То есть сама бы могла управлять процессом вычислений. В дальнейшем, развивая эту идею, Бэббидж пришёл к мысли не просто сделать машину, которая бы табулировала функцию полностью автоматически, а создать машину которая бы позволяла решать весь класс вычислительных задач. Для этого алгоритм такой машины должен быть не жёстко зашит в её конструкцию, а задаваться извне, а сама машины должна уметь выполнять все арифметические операции, а также управлять ходом выполнения вычислений. Новую вычислительную машину Бэббидж назвал Аналитической.
Основными частями Аналитической машины являлись:
1.«склад» — устройство для хранения чисел, то есть память в современной терминологии;
2.«мельница» — устройства для выполнения арифметических действий (Арифметическое устройство);
3.устройство, управляющее операциями машины;
4.устройства ввода и вывода;
(Элемент «мельницы». Рисунок Генри Бэббиджа. Источник)
В такой архитектуре не сложно узреть прообраз современного компьютера с его памятью, процессором (мельница + устройство управления) и устройствами ввода вывода.
«Шину обмена» данными между АЛУ и памятью представлял собой набор зубчатых реек. Объём памяти должен был составлять тысячу чисел по 50 десятичных знаков. Для числа из 50-ти десятичных разрядов со знаком необходимо 168 бит, то есть объём ОЗУ был чуть больше двадцати килобайт. Для сравнения советую здесь посмотреть объём ОЗУ первых компьютеров.
Как было сказано в предыдущей части, работая над аналитической машиной, Бэббидж придумал оригинальную схему предварительного переноса. Стоит сказать, что перед этим он продумал более двадцати вариантов исполнения схемы последовательного переноса, прежде чем понял, что для кардинального ускорения процесса необходим совершенной иной принцип.
Как и в разностной машине, регистры, хранящие числа, представляли собой зубчатые колёса. Знак числа задавался отдельным зубчатым колесом. Если данное колесо отображало чётное число, то это интерпретировалось как положительный знак, иначе как отрицательный.
Операции умножения и деления предполагалось реализовать как последовательные сложения или вычитания.
Расчётное время выполнения операций должно было составлять одну секунду для сложения и вычитания и одну минуту для умножения и деления, что не так уж и плохо для 19го века.
Для ввода данных в память и управлением работой машины, Бэббидж задумал использовать перфокарты. На тот момент они уже существовали не один десяток лет, и были изобретены Жаккаром Жозефом-Мари для управления узором автоматизированного ткацкого станка.
Аналитическая машина использовала два механизма с перфокартами — один механизм задавал операции, которые должна была выполнять мельница, второй же управлял переносом данных между «мельницей» и «складом».
(Ткацкий станок с картами Жаккара. Источник)
Во время прибывания Бэббиджа в Италии к нему обратился метематик, профессор Мосотти. «Он заметил, что теперь вполне готов поверить в способность механизма овладеть арифметическими и даже алгебраическими соотношениями в любой нужной степени. Но он добавил что не может понять, как машина может сделать выбор, который часто необходим при аналитическом исследовании (то есть в процессе вычислений), когда представляются два или более путей, особенно в том случае, когда правильный путь, как это часто бывает, неизвестен до тех пор, пока не проделаны предшествующие вычисления». На этот случай в Аналитической машине была предусмотрена возможность организации условного выполнения и циклов. Для этого механизм переноса последнего разряда управлял движением перфокарт и мог заставить этот механизм повторить действие либо пропустить его.
Устройства вывода позволяли выводить на печать в результат вычислений машины в одной или двух копиях, воспроизводить в виде стереотипного отпечатка или пробивать результат на перфокартах.
Работая над аналитической машиной, Бэббидж сделал более 200 чертежей её различных узлов и около 30 вариантов компоновки машины. Однако размер замысла, и сложный характер изобретателя отсрочили рождение его изобретений на добрую сотню лет. Если взглянуть на разностную машину, которая по замыслу Бэббиджа должна был табулировать до 20-го знака функции с постоянными седьмыми разностями, то близкая по возможностям машина появилась в 1934-м году — она табулировала функции с постоянными разностями седьмого порядка и с точностью до 13 знаков. Что же говорить об исполинских возможностях задуманной аналитической машины…
(Часть печатающего механизма машины. Источник)
После смерти Чарльза Бэббиджа, его сын, Генри, занялся аналитической машиной, решив сосредоточиться на двух узлах — «мельнице» и печатающем устройстве. В 1888-м году были готовы данные узла машины, которые смогли вычислить и напечатать произведение на числа натурального ряда с 29 знаками. При вычислении 32-го члена машина выдала неверный результат из-за сбоя в механизме переноса. Всю оставшуюся жизнь Генри продолжал работу над аналитической машиной отца, а также занимался популяризацией идей вычислительных машин.
Не смотря на то, что Бэббидж за свою жизнь написал немало книг и статей, он так и не создал подробного изложения принципов работы разностной и аналитической машины, так как считал создание машин более важным занятием, нежели их описание. Подробное описание разностной машины было дано Дионисием Ларднером, а аналитическая машина была описана в статье Луиджи Фредериго Менабреа. Именно эта статья и привела к тому, что на свет появилась первая в мире программа и первый программист. Честь носить такое звание имеет Ада Августа Лавлейс, дочь поэта Байрона. Чарльз Бэббидж был знаком с семьёй юной талантливой девушки и всячески поощрял её тягу к науке. Однажды Ада заинтересовалась вычислительными машинами Бэббиджа и взялась за перевод статьи Менабреа. Работая над переводом, Ада, дополнила её своими комментариями, примерами практического использования машин, а также составила «программу» вычисления чисел Бернулли. Имя Ады было увековечено в названии одного из языков программирования — Ада (Ada). Подробнее углубляться в биографию Ады я не буду, т.к. данная тема уже была раскрыта на хабре.
Судьба Чарльза Бэббиджа была не менее сложная, чем судьба его вычислительных машин. Отношение современников к этому учёному со временем менялось от гения до чудака и даже до изобретателя, повредившегося рассудком на почве вычислительных машин. За свою жизнь он создал большое количество разнообразных изобретений, таких как спидометр, динамометр, придумал единый почтовый тариф и прочее. Президент Королевского общества лорд Росс писал что «Бэббидж только своими изобретениями в области машиностроения вполне возместил те средства, которые правительство вложило в строительство его разностной машины».
Идея, родившаяся в девятнадцатом веке и ставшая реальностью в веке двадцатом, сделала переворот не только в науке, но и в нашей повседневной жизни. Жизнь Бэббиджа, история создания его вычислительных машин является ярчайшим примером того на сколько дальновидным и упорным может быть гений, и на сколько тернистым и долгим бывает путь созидания.
PS: Всем кому интересны механические вычислительные машины, их история создания, описание конструкции и принципов работы и зарождение их электронных собратьев рекомендую найти и прочитать книгу «От абака до компьютера» за авторством Р. С. Гутера и Ю. Л. Полунова 1981 года издания.
В 1822 году уже были компьютеры. Но на них было страшно даже смотреть, а не только пользоваться
14 июня 1822 года Чарльз Бэббидж представил Королевскому обществу Великобритании модель Разностной машины — механического аппарата, созданного для автоматизации вычислений. По замыслу автора, устройство могло бы вычислять корни многочленов вплоть до шестой степени с большой точностью — до 18-го знака. Несмотря на финансирование британского правительства и нескольких лет упорной работы, Бэббидж так и не смог воплотить замысел в жизнь.
Зато это удалось шведскому изобретателю Георгу Штутцу, который опирался на опыт и советы Бэббиджа. Последний тем временем стал разрабатывать еще более амбициозный проект, оставшийся в истории как Аналитическая машина. Её схема в общих чертах напоминает схему современного ПК. По замыслу автора, Аналитическая машина должна была состоять из «мельницы» — устройства для выполнения вычислений, «склада» — памяти для хранения чисел, управляющего устройства и устройства ввода/вывода. Но все операции вычисления и управления должны были выполнятся с помощью механизмов, а не электроники. Кроме идей, которые легли в основу современных компьютеров, Чарльз Бэббидж также принёс миру спидометр и динамометр.
Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа
14 июня 1951 года в Пентагоне был запущен первый коммерческий компьютер, созданный в США, и третий коммерческий компьютер в мире. Он носил название UNIVAC I (Универсальный Автоматический Компьютер) и занимал внушительные 35,5 квадратных метров. При этом работал на частоте 2,25 МГц и был способен выполнять 1905 операций в секунду. Вес компьютера составлял 13 тонн, а энергопотребление — 125 кВт * ч. Цена была очень высокой, больше миллиона долларов, поэтому позволить себе подобное устройство могли немногие организации. Среди них ВВС и ВМС США, General Electric, Национальное агентство геопространственной разведки, DuPont и другие. Всего же было продано 46 UNIVAC I. Последние два экземпляра были задействованы вплоть до 1970 года.
Чарльз Бэббидж, математик и изобретатель первого в мире компьютера: 224 года со дня рождения
Чарльз Бэббидж в 1860-м году
224 года назад, 26 декабря 1791 года, по адресу 44 Кросби Роу, Уолворт Роуд в Лондоне родился мальчик, которого назвали Чарльзом. Всего в семье банкира Бенджамина Бэббиджа было четверо детей.
Чарльз в детстве много болел, и в возрасте восьми лет был даже отправлен учиться в школу в сельской местности, чтобы поправить здоровье после сильной лихорадки, чуть не прервавшей его жизнь. И после этого по состоянию здоровья ему часто приходилось учиться дома с частными преподавателями.
Во время учёбы Чарльз всерьёз заинтересовался математикой. Поступив в академию Холмвуд, он много времени проводил в тамошней библиотеке за чтением книг по математике, а по его просьбе родители наняли дополнительных к институтской программе учителей, которые помогали ему постигать эту науку дома. Один из учителей подтянул образование Чарльза до степени, пригодной для поступления в Кембридж.
Поступив в Кембридж в октябре 1810 года, и отучившись там немного, Чарльз был разочарован местным уровнем преподавания математики. Чарльз познакомился с другими одарёнными студентами – Джорджем Пикоком (в будущем – известный математик), Джоном Гершелем (в будущем – математик, астроном, химик, ботаник, изобретатель и фотограф-экспериментатор), и другими.
Совместно они организовали в стенах университета т.н. «Аналитическое общество», к заслугам которого можно, в числе прочего, отнести пропаганду символики Лейбница для работы с дифференциальными уравнениями. До этого совместными усилиями они перевели учебник «Научные основы интегрального и дифференциального счисления» французского математика Сильвестра Лакруа. Начавшись в виде шуточного студенческого проекта, к 1830-х годам «Аналитическое общество» стало уже официальным подразделением университета, и существует там и поныне.
После Кембриджа Чарльз читал лекции, занимался совместно с Гершелем научной работой, связанной с электричеством. Писал книги и пробовал заниматься политикой. Его книга «Экономика механизмов и производств», посвящённая организации промышленных производств и изданная в 1832 году, оказала основополагающее влияние на математические методы исследования операций (разработку и применение методов нахождения оптимальных решений на основе математического моделирования, статистического моделирования и различных эвристических подходов). В частности, в книге активно пропагандировался принцип разделения труда, и доказывалось, что эта методика приводит к увеличению эффективности производства. Теперь этот принцип в Британии называют «Принципом Бэббиджа».
Кроме этого, Бэббидж интересовался инженерным делом, в частности работой поездов. Он изобрёл треугольное устройство «метельник» или «путеочиститель», которое часто называли «скотобойником» (по аналогии с этим можно вспомнить «кенгурятники» внедорожников) – оно помогало оперативно очищать железнодорожные пути от посторонних предметов (и существ). Также ему принадлежит разработка специального вагона-динамометра, измеряющего различные критичные параметры железнодорожного полотна.
Участвовал в создании Астрономического сообщества и в создании единого стандарта астрономических вычислений. Именно работа над исправлением ошибок в счётных таблицах натолкнула Бэббиджа на мысль о механизации рутинного труда по подсчётам.
Цитата из исторической биографии:
В 1812 году он сидел в одной из своих комнат, и смотрел на полные ошибок логарифмические таблицы. И внезапно ему пришла идея автоматических расчётов этих чисел при помощи машин. Французское правительство разработало новый метод подсчёта таблиц. 3-4 математика решали вопросы подсчётов, ещё десяток разбивал работу на более простые части, а сама рутинная работа, состоявшая из сложения и умножения, отдавалась на откуп 80-и работникам-счётчикам, которые и не смыслили в математике ничего больше, чем эти два простых действия. Таким образом массовое производство впервые было применено для математических целей. Бэббиджа захватила идея, что работу неопытных счетоводов можно полностью заменить механизмами, которые бы работали надёжнее и быстрее.
Идея разделения труда вычислителей принадлежала Гаспару де Прони, руководившего бюро переписи Франции с 1790 по 1800 года.
В 1822 году Бэббидж опубликовал статью с описанием машины, способной заменить людей-вычислителей, а вскоре приступил к её практическому созданию. Как математику, Бэббиджу был известен метод аппроксимации функций многочленами и вычислением конечных разностей. С целью автоматизации этого процесса он начал проектировать машину, которая так и называлась — разностная. Эта машина должна была уметь вычислять значения многочленов до шестой степени с точностью до 18-го знака.
В следующем году по рекомендации Королевского общества правительство Великобритании выделило ему субсидии в размере 1500 фунтов стерлингов на создание разностной машины.
К сожалению, изобретатель не смог при своей жизни построить полностью работающую версию задуманной им машины. Вместо трёх лет он потратил на неё более 9 лет, бюджет её создания вырос в 10 раз, но он не смог предвидеть всех трудностей, связанных с реализацией своей идеи.
После того, как правительство отказалось выделять дополнительные средства на финансирование неудавшегося проекта, Бэббидж занялся более общей версией механического компьютера, «аналитической машиной», которую он назвал «Разностная машина №2».
После его смерти во второй половине 19-го века другие изобретатели по его чертежам сумели построить работающие версии разностных машин, одна из которых даже использовалась по назначению, для расчёта и публикации логарифмических таблиц.
Одна из разностных машин, построенная другим изобретателем по чертежам Бэббиджа
В период 1989 по 1991 год к двухсотлетию со дня рождения Чарльза Бэббиджа на основе его оригинальных работ в лондонском Музее науки была собрана работающая копия разностной машины № 2. В 2000 году в том же музее заработал принтер, также придуманный Бэббиджем для своей машины. После устранения обнаруженных в старых чертежах небольших конструктивных неточностей, обе конструкции заработали безупречно.
Построенная в наше время по чертежам изобретателя разностная машина, находящаяся в лондонском музее
Аналитическая машина, придуманная изобретателем, является прямым прообразом современного цифрового компьютера. В единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство (названное им «мельницей»), регистры памяти, объединённые в единое целое («склад»), и устройство ввода-вывода, реализованное с помощью перфокарт трёх типов. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей данных из памяти в арифметическое устройство и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных в машину, так и для сохранения результатов вычислений, если памяти было недостаточно.
Ещё одна современная копия машины находится в музее компьютерной истории в Маунтин Вью в Калифорнии:
Во время работы над аналитической машиной Бэббидж вёл переписку с британским математиком Адой Лавлейс. Они познакомились с Бэббиджем, когда ей было всего 17 лет. Впоследствии она не только давала ему идеи по конструкции машины, но и разработала алгоритм её работы для вычисления чисел Бернулли. В связи с этим её часто называют первым программистом в истории.
В 2011 году британские поклонники Бэббиджа разработали план постройки Аналитической машины полностью в том виде, в котором её задумал автор. Инициатива получила название «Plan 28». Пока что им не удалось найти несколько миллионов фунтов на финансирование своего проекта, но они надеются завершить его хотя бы в 2021 году, к 150-й годовщине со дня смерти изобретателя. В переводе на современные единицы, такая машина будет обладать 675 байтами памяти и работать с частотой 7 Гц.
Более 40 лет Бэббидж жил и работал в доме №1 по Дорсет Стрит квартала Мэрилебон на севере Вестминстера. Умер он там же, в возрасте 79 лет, 18 октября 1871 года. Сейчас по этому адресу можно найти круглую мемориальную табличку с его именем.