Рождение компьютера

Первоначально все счетные машины приводились в движение рукой.

В 1822 г. англичанин Гаральд Бэбидж (Babbage) (1791–1871) скон-струировал первую счетную машину, приводимую в движение с помощью парового двигателя. В 1834 г. он опубликовал ее описание, но дальше работу над нею прекратил[836].

Причина этого заключалась в том, что именно в 1834 г. он начал работу над созданием универсальной вычислительной машины с программным управлением, названной им аналитической – АВМ[837].

Характеризуя это изобретение, современные авторы пишут: «Бэбидж испытал бы полное удовлетворение, узнав, что структура вновь изобретен-ных почти через столетие универсальных цифровых вычислительных машин по существу повторяет структуру его машины»[838].

«Аналитическая машина имела следующие составные части:

1) «склад» для хранения чисел (по современной терминологии «накопитель» или «запоминающее устройство», «память»);

2) «мельницу» для производства арифметических действий («ариф-метическое устройство»);

3) устройство, управляющее в определенной последовательности операциями машины (сейчас «устройство управления»);

4) устройство ввода и вывода данных»[839].

Конструируя эту счетную машину, Д. Г. Бэбидж использовал меха-низм управления ткацкого станка с помощью перфокарт, который был создан инженером Ж. М. Жаккаром (Jacquard) (1752–1834)[840].

Однако завершить свою работу Д. Г. Бэбидж не сумел[841].

Следующий важный шаг на этом пути сделал американский изобретатель Герман Холлерит (Голлерит) (1860–1929). Он не только спроектировал, но и создал электромеханическую счетно-аналитическую машину, управление которой тоже осуществлялось с помощью перфокарт[842].

Перфокарта, на которой перфоратором пробивались отверстия, соответствующие определенным числовым показателям, использовалась в качестве носителя цифровых данных. Допустим, отверстия в первой колонке означают единицы, во второй – десятки, в третьей – сотни и т.д. Поэтому если в третьей колонке пробить одно отверстие, во втором два, а в третьем три, это будет означать 123.

Перфокарта вставлялась таким образом, что под ней вдоль каждой колонки шли оголенные контакты. Когда машина начинала работать, в действие приходила панель, размещенная над перфокартой. На панели были укреплены металлические стержни. Они тоже представляли собою контакты. Когда панель передвигалась вдоль перфокарты, стержни попадали в отверстия и замыкали электрическую цепь. Каждая электрическая цепь была выведена на счетчик в виде циферблата со стрелкой[843].

При замыкании цепи стрелка перемещалась на столько делений, сколько было пробито отверстий в соответствующем ряду на перфокарте. В результате один циферблат показывал единицы, другой десятки, третий сотни и т. д. Как и в счетной машине Б. Паскаля, при полном обороте стрелки на одном циферблате специальный механизм передвигал на одно деление стрелку на соседнем циферблате и т. д. В приведенном выше примере, пройдя вдоль всей перфокарты, панель в первой колонке замыкала цепь три раза, во второй – два, в третьем – один раз, и в итоге на трех циферблатах стрелка показывала 1, 2, 3.

Если теперь вводилась другая перфокарта, на которой таким же образом были пробиты два, три и четыре отверстия, т. е. было закодировано число 234, то, проделав такую же операцию, машина перемещала стрелки с 1 на 3, с 2 на 5 и с 3 на 7, получалось 357.

Свое изобретение Г. Холлерит запатентовал в 1884–1889 гг.[844].

В 1896 г. Г. Холлерит основал фирму «Computer Tabuiating Recording», которая позднее стала называться «International Business Machines» (IBN)»[845]. Впоследствии Г. Холлерит и другие изобретатели внесли в созданную им машину целый ряд усовершенствований.

В 1900 г. была создана автоматическая загрузка перфокарт[846]. Позднее удалось добиться, чтобы машина производила не только сложение, но и вычитание, а также деление и умножение[847]. В 1911 г. Г. Холлерит соединил счетное устройство с печатной машинкой[848], что позволило с ее помощью не только пробивать отверстия в перфокарте, но и сразу же отпечатывать на бумаге полученный результат.

В 1930 г. Ванневар Буш (1890–1974) создал устройство, получившее название дифференциальный анализатор. Это была счетная машина, кото-рая могла не только складывать и отнимать, не только умножать и делить, но и решать дифференциальные уравнения. Как считают специалисты, «с появления этого вычислительного устройства началась современная компьютерная эра»[849].

Можно встретить мнение, будто следующий шаг вперед сделал американский изобретатель Говард Эйкен (Aiken), который в 1939–1944 гг. создал АВМ «Марк-1». Это было громоздкое сооружение: оно имело 2, 5 м в высоту и 17 м в длину, весило 5 т и состояло из 750 тыс. деталей, зато производило сложения за 0, 3 с, а умножение – за 5, 7 с[850]. «Марк-1» был релейной счетной машиной, в которой использовались десятичная система счисления и механический сумматор[851], состоявший из знакомых нам еще по машине Б. Паскаля зубчатых колес[852].

Поэтому, по всей видимости, правы те авторы, которые считают, что «Марк-1» еще не успел появиться на свет, как устарел. Дело в том, что на несколько лет раньше этого немецкий изобретатель Конрад Цузе (Zuse) (1910–1995) создал более совершенное счетное устройство [853].

В 1933–1936 гг. К. Цузе сконструировал счетную машину, имевшую обозначение Z-1. В 1939 г. появилась новая модель – Z-2, в 1941 – Z-3, а в 1945 – Z-4[854].

И хотя скорость выполнения основных операций (сложение – 0, 3 с, умножение 4, 5 с) у Z-3 почти не отличалась от скорости работы АВМ «Марк-1», это была совершенно другая счетная машина.

Все предшественники К. Цузе использовали для счета десятеричную систему счисления. Он решил использовать только два знака: «0» и «1», с помощью которых можно закодировать любую цифру и любую букву[855].

«В настоящее время для обозначения двоичных цифр применяется термин «бит» (bit), произошедший от сокращения английского словосочетания «двойная цифра» (binary digit). Количество информации удобнее измерять в байтах (byte) – восьмибитовых кодах. 256 восьмибитовых чисел достаточно для кодирования национальных алфавитов, всех цифровых систем, знаков препинания и служебных кодов. Байтом можно представить букву алфавита или две десятичные цифры.

В свою очередь килобайт (кбайт) = 210 байт = 1024 битов, мегабайт (1 Мбайт) = 1024 кбайт = 1048576 байт, гигабайт (1 Гбайт) = 1024 Мбайт = =1073741824 байт»[856].

Кто желает получить более детальное представление о двоичной системе счета, может обратиться к книге Ч. Н. Ролича «От 2 до 16»[857].

Для электромеханических счетных устройств двоичная система счисления имела особое значение, так как с помощью только двух операций – замыкания и размыкания цепи (как с помощью азбуки Морзе) можно закодировать любое число, а затем производить подсчет не зубьев счетных колес, не градусов их поворота, а количества замыканий и размыканий электрической цепи и их комбинации или же подобным же образом производить подсчет электрических колебаний.

Есть мнение, будто бы К. Цузе до всего додумался сам.

Однако на возможность использования двоичной системы обратил внимание еще Г. В. Лейбниц[858]. В 1931 г. французский изобретатель Р. Вальта запатентовал «цифровые шестеренки» и 1936 г. продемонстриро-вал возможность производить вычисления с помощью только двух цифр[859]. Тогда же появилась идея считать не количество зубцов на счетном колесике, а электрические импульсы[860].

Эта идея сразу же привлекла к себе внимание. И накануне Второй мировой войны начались поиски путей ее реализации. К. Цузе стал первым, кому удалось найти приемлемое практическое решение этой проблемы.

Характеризуя заслуги К. Цузе, Р. С. Гуттер и Ю. Л. Полунов пишут: «К. Цузе создал модель механической вычислительной машины, в которой использовалась двоичная система счисления, форма представления чисел с плавающей запятой, трехадресная система программирования и перфоратор»[861]. Это была «первая в мире действующая машина с программным управлением», «релейная двоичная машина, имеющая память на 6422-разрядных числа с плавающей запятой»[862].

Ввод данных производился с помощью клавиатуры, результаты расчетов выводились на световое табло.

Счетная машина К. Цузе была вершиной того, что удалось достигнуть на пути совершенствования электромеханической обработки информации. Однако, несмотря на это, она имела, по крайней мере, три недостатка: а) ограниченная скорость вращения отдельных ее деталей, б) непропор-ционально большой расход энергии, в) значительные затраты времени для перехода от одной операции к другой[863].

В 1942 г. профессор электротехнической школы Мура Пенсивальван-ского университета Дж. В. Маучли представил меморандум «Использова-ние быстродействующих электронных устройств для вычислений», в кото-ром изложил свои предложения по созданию электронной вычислительной машины ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)[864].

Почти год проект пролежал без движения. Несмотря на его заманчивость, он требовал больших расходов. Дело сдвинулось с мертвой точки только тогда, когда к проекту проявила интерес лаборатория баллистики Пентагона[865]. Она занималась испытанием артиллерийских орудий. Для определения траектории полета снаряда требовалось до 750 вычислений. А поскольку шла Вторая мировая война и количество испытываемых орудий и снарядов исчислялось сотнями, необходимо было производить сотни тысяч расчетов [866].

Это и обусловило интерес военного ведомства к проекту Д. Маучли. В 1943 г. под его руководством и при участии его ученика Д. П. Эккерта началась работа по созданию электронной вычислительной машины – ЭВМ[867].

То новое, что отличало ЭВМ от ее предшественниц, прежде всего, заключалось в использовании триода.

Как мы уже знаем, триод – это «трехэлектродная лампа с управляющим электродом (сеткой), в которой величину тока, проходящего через вакуум между двумя другими электродами (анодом и катодом), можно изменять при ничтожной затрате энергии путем изменения напряжения на сетке»[868].

Основным элементом этой машины стали «триггерные ячейки», изобретенные М. А. Бонч-Бруевичем еще в 1918 г.[869].

«Триггер – это электрическая схема с двумя устойчивыми электричес-кими состояниями, в которой под действием внешнего электрического сигнала быстро меняются токи и напряжения на ее элементах (электронная лампа, полупроводник, конденсатор, сопротивление) – происходит переход из одного электрического состояния в другое»[870].

Одно из этих состояний можно обозначить знаком «0», другое знаком «1» и таким образом, по предложенной В. Лейбницем методике, комбинировать такие сочетания, с помощью которых можно обозначать любые цифры.

В создаваемой машине 10 триггеров были соединены в кольцо, которое играло такую же роль, которую играло счетное колесо в механической счетной машине Б. Паскаля. 10 таких колец с двумя триггерами для указания знака числа составляли «запоминающий регистр». Всего в машине было 20 регистров и 2400 триггеров[871].

К началу 1946 г. работа была завершена. 15 февраля состоялась демонстрация ЭНИАКа[872]. Он имел 18 тысяч электронных ламп, 1, 5 тыс. реле, его мощность составляла 150 кВт, машина занимал 135 кв. м (9´ 15) и весил 30 т[873]. По своим габаритам ЭНИАК почти не отличался от «Марка-1», но если «Марк-1» производил сложение за 0, 3 с, а умножение – за 5, 7 с, то ЭНИАК выполнял эти операции соответственно за 0, 2 мс и 2, 8 мс[874]. Миллисекунда – это 1/1000 секунды. Следовательно, ENIAC мог за секунду производить 5000 операций сложения и 350 операций умножения.

Долгое время считалось, что ENIAC был первой ЭВМ. Между тем в 1975 г. Великобритания рассекретила материалы, из которых явствует, что она имела ЭВМ под названием «Колосс» уже в декабре 1943 г. Правда, использовалась она только в шифровальном деле[875].

Однако идея создания электронной вычислительной машины появилась еще раньше. «Через 30 лет после начала работы над ЭНИАКом, – пишут Р. С. Гуттер и Ю. Л. Полунов, – федеральный окружной суд в американском городе Миннеаполисе в ходе 135-дневного заседания установил: «Эккерт и Моучли не изобрели первую автоматическую электронную цифровую вычислительную машину, а извлекли сущность концепции из изобретения доктора Джона Винсента Атанасова»[876].

Оказывается, американский инженер болгарского происхождения Джон Винсент Атанасов[877] выдвинул идею создания электронной вычислительной машины еще до начала Второй мировой войны и в 1939 г. приступил к ее сооружению. К весне 1942 г. работа была в основном закончена. Но именно в этот момент из-за начавшейся войны (США вступили в войну в декабре 1941 г.) финансирование работы было прекращено, а машина демонтирована[878].

Знал ли об этой работе Д. Моучли? Как выяснилось на суде, знал.

Во-первых, о работе Ж. Атанасова сообщалось в печати, во-вторых, с декабря 1940 г. Д. Моучли был знаком с Д. Атанасовым, находился с ним в переписке, интересовался его работой и несколько раз был у него на объекте[879].