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.

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.

Теги: Добавить метки

Каждое утро тысячи служащих заполняли тесные лондонские улочки начала XIX века. Они спешили в свои конторы, чтобы погрузиться в душный мир цифр - финансовые прогнозы и отчеты о сборе налогов, мореходные астрономические таблицы и календари. Могущество "Владычицы морей" опиралось в том числе на армию безвестных вычислителей, терпеливо перемалывающих мириады чисел. В 1812 г. Чарльз Бэббидж дремал над открытой таблицей логарифмов. Приятель молодого математика разбудил его возгласом: "О чем замечтался?", на что Бэббидж ответил: "...А ведь все эти таблицы могли быть вычислены с помощью машины!"

В эпоху, когда пароходы и паровозы еще считались многообещающей новинкой, Чарльз Бэббидж решил избавить людей от гнета рутинных вычислений. Он говорил: "Я отдаю себе отчет, что мои утверждения могут рассматриваться как нечто сверхутопическое и что они вызовут в памяти философов Лапуты..." (Лапута - летающий остров, придуманный Джонатаном Свифтом. На Лапуте жили мудрецы, примечательные своей оторванностью от реальной жизни и пространными псевдонаучными рассуждениями.) И точно - в возможности создания автоматической вычислительной машины сомневались тогда не только обыватели, но и многие ученые.

Чарльз родился в 1791 году в семье банкира Бенджамина Бэббиджа. Из-за неважного здоровья он до 11 лет учился дома. Потом его отдали в одну из лучших частных школ Англии, где Чарльза сразу покорила богатая библиотека. Среди прочего там были прекрасные книги по математике... К этой науке Бэббидж относился с трепетом всю дальнейшую жизнь. Иногда дело доходило до курьезов.

Каждую минуту умирает человек,
Но каждую минуту человек рождается.

Этот фрагмент из стихотворной поэмы Альфреда Теннисона заставил Бэббиджа отправить поэту письмо, где математик придирчиво заметил: "...Хорошо известно, что упомянутая сумма (население Земли) постоянно увеличивается. Поэтому я беру на себя смелость предположить, что в следующем издании Вашей превосходной поэмы ошибочные расчеты будут исправлены следующим образом:

Каждое мгновение умирает человек,
Но 1,16 человека рождается...

Может, это был своеобразный юмор Бэббиджа? Его отношение к предмету выдает следующее добавление: "Я мог бы указать Вам и более точную цифру -1,167; но это, конечно, нарушило бы ритм стиха..."

Также безоглядно он увлекался изобретательством. Например, попав в оперу на "Дон Жуана", смертельно заскучал и уже через пять минут ушел из зала - посмотреть, как устроен механизм сцены... Бэббидж пытался вдохнуть жизнь в "нагромождение" валов, шестеренок и рычагов, названное им "Разностной машиной" не один год. Поначалу некоторые средства ученому выделяло Министерство финансов Ее Величества. Но исследования затянулись и господин министр соскучился ждать. Ученому удалось построить только отдельные узлы своей машины. Неудача с "Разностной машиной" нисколько не обескуражила Бэббиджа. Напротив, он сразу же "замахнулся" на новый, несравненно более сложный агрегат. В 1834 году конструктор впервые в мире задумал создать механическое устройство, способное не просто считать, но управлять ходом собственной работы, в зависимости от заложенной программы и результатов промежуточных вычислений! Прародитель ЭВМ был назван им "Аналитической машиной".

Бэббидж придумал все основные части, которые сегодня составляют компьютер: накопитель для хранения чисел, арифметическое устройство, механизм, управляющий последовательностью операций, устройства ввода и вывода данных. До него никто еще не пытался создать по-настоящему универсальный вычислитель. Даже собранный на несколько лет раньше "арифмометр" Блеза Паскаля был, по сути, не более чем усложненными счетами.

Ход вычислений в машине Бэббиджа определяли перфокарты с программой. А первым в мире программистом стала леди Ада Лавлейс. Дочь Джорджа Байрона - она проявляла несравненно больший интерес к математике, нежели к поэзии, и в этом походила на Бэббиджа. Ада была знакома со многими учеными своего времени, часто принимала их у себя дома, выступая не только в роли хозяйки, но и как активная участница научных споров. Бэббидж "заразил" Аду идеей создания программируемой вычислительной машины, и она составила несколько программ для его агрегата. Применить их так и не пришлось, зато леди Лавлейс разработала все основные принципы программирования, применяемые до сих пор. Ее именем даже назвали один из компьютерных языков - "Ада". ЧАРЛЬЗ БЫЛ ГОТОВ ПОЙТИ на самые экзотические авантюры, чтобы добыть средства на постройку "Аналитической машины"" Сначала, вместе с леди Лавлейс, Бэббидж придумал "беспроигрышную" систему ставок на скачках. Однако математический талант Ады не помог: изобретатели проигрались в пух и прах, и леди Лавлейс пришлось продать свой фамильный жемчуг.

Неунывающий Бэббидж решил написать роман в трех томах, рассчитывая выручить за него 500 фунтов, но быстро охладел к идее. Зато загорелся новым проектом - деньги ему должен принести автомат... для игры в крестики-нолики, с которым Бэббидж предполагал разъезжать по стране. Знакомый Чарльза отговорил его от этой затеи, уверяя, что данным способом не удастся выколотить из чопорной английской публики требуемую сумму. Автомат для крестиков-ноликов так и не был создан. Как и сама "Аналитическая машина", хотя Бэббидж продолжал работу над ней до конца жизни. Вскоре после смерти Бэббиджа журнал "Панч" написал:

Служа науке, он терпел лишенья.
Был рок его тревожен и суров,
Он злой судьбою избран был мишенью
Скорей ударов, нежели даров...
(Перевод И. Липкина.)

Тогда же британский комитет по науке отозвался о его изобретении: "Мы полагаем, что подобные машины, помимо экономии труда, сделают осуществимым то, что находится слишком близко к пределам человеческих возможностей". Почему это признание не появилось при жизни изобретателя?

Только после смерти Бэббиджа его сын Генри сумел построить по чертежам отца центральный узел "Аналитической машины" - арифметическое устройство, которое в 1888 году вычислило произведения числа "пи" на числа натурального ряда от одного до 32 с точностью до 29 знаков! Машина Бэббиджа оказалась работоспособной, но Чарльз этого уже не увидел.

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.

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 18-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.

Английский эрудит, математик, философ, изобретатель и инженер-механик, в 19-м веке разработавший концепцию универсальной цифровой вычислительной машины, которая считается прообразом современных компьютеров.

Собственно, Чарльзу Бэббиджу приписывают изобретение первого механического компьютера, что, в конце концов, привело к более сложным разработкам. Кроме того, ему принадлежит множество выдающихся работ в других областях. Часть незавершенных механизмов Бэббиджа демонстрируются на выставке в лондонском Музее науки (London Science Museum). В 1991 году по чертежам изобретателя была построена прекрасно функционирующая так называемая разностная машина Чарльза Бэббиджа. Бэббидж часто упоминается в романах в жанре стимпанк. В 2008 о нем сняли короткометражный фильм "Babbage", показанный на Каннском фестивале (Cannes Film Festival).

Будущий изобретатель появился на свет 26 декабря 1791 года в Лондоне (London). Он был одним из четырех детей банкира Бенджамина Бэббиджа (Benjamin Babbage) и его жены Бетси Пламли Тип (Betsy Plumleigh Teape). Когда мальчику исполнилось восемь, его отослали в школу-интернат в сельской местности, чтобы набраться сил после опасной для жизни лихорадки. Какое-то время он учился в школе короля Эдуарда VI (King Edward VI Grammar School), но слабое здоровье вынудило родителей обратиться к услугам репетиторов. Позже Бэббидж стал учеником Академии Холмвуд (Holmwood academy) в Мидлсексе (Middlesex), располагавшей богатой научной библиотекой – именно там пробудилась его любовь к математике.

Так или иначе, учителя и репетиторы смогли подготовить юного Чарльза к экзаменам в Кембриджском Университете (University of Cambridge), и в октябре 1810 он стал студентом Тринити-колледжа (Trinity College). Увы, уровень математики в Кембридже разочаровал Бэббиджа, который к тому времени самостоятельно изучил многие работы современных ему выдающихся математиков. В 1812 вместе с несколькими друзьями он основал в университете Аналитическое общество (Analytical Society), а в 1814 получил степень без экзаменов. Он быстро добился определенного успеха – год спустя молодой Бэббидж читал лекции по астрономии в Королевском институте (Royal Institution), в 1816 он стал членом Лондонского королевского общества (Royal Society), в 1819 посетил Париж (Paris), где встречался с ведущими французскими математиками и физиками. С другой стороны, ему не слишком везло в плане карьеры – несмотря на несомненные способности и отличные рекомендации, выгодные и престижные преподавательские позиции все время доставались кому-то другому, и Чарльз был вынужден полагаться на поддержку отца. В 1827, после его смерти, Бэббидж унаследовал крупное по тем временам состояние, около 100 000 фунтов, что сделало его независимым в своих исследованиях.

Он рано женился, в 1814 году, у них с женой было восемь детей (хотя только четверо из них выжили), а после смерти жены, скончавшейся в 1827, много путешествовал. Он находился в Риме (Rome), когда узнал, что наконец-то получил профессорское место в Кембридже, который до этого трижды ему отказывал.

Основной страстью Бэббиджа было создание вычислительных машин, но всю свою жизнь он оставался человеком широких интересов. Бэббидж сыграл важную роль в создании Астрономического общества (Astronomical Society) в 1820 году, разработал требования к современной почтовой системе, с 1828 по 1939 год преподавал в Кембриджском Университете и опубликовал три важных научных труда в этот период, а в 1832 году был избран почетным иностранным членом Американской академии искусств и наук (American Academy of Arts and Sciences). Он испытывал большой интерес к политической экономии, пытался заниматься политикой (без особых успехов) и увлекался богословием, криптографией, металлообработкой в частности и технологиями вообще, а также участвовал в общественных кампаниях. Коллеги его не любили, поскольку Бэббиджу всегда интереснее были собственные исследования, чем преподавание, но всегда отдавали ему должное как ученому и изобретателю. В числе прочих известных изобретений Бэббиджа – такие необходимые в современной жизни предметы как сейсмограф, спидометр и офтальмоскоп.

Чарльз Бэббидж (1791-1871) - пионер создания вычислительной техники, который разработал 2 класса вычислительных машин - разностные и аналитические. Первый из них свое название получил благодаря математическому принципу, на котором основан - методу конечных разностей. Его красота заключается в исключительном использовании арифметического сложения без необходимости прибегать к умножению и делению, которые сложно реализовать механически.

Больше чем калькулятор

Разностная машина Бэббиджа представляет собой счетное устройство. Она оперирует числами единственным способом, на который способна, постоянно складывая их в соответствии с методом конечных разностей. Ее нельзя использовать для общих арифметических расчетов. Аналитическая же машина Бэббиджа гораздо больше, чем просто калькулятор. Она знаменует переход от механизированной арифметики к полномасштабным вычислениям общего назначения. На разных этапах эволюции идей Бэббиджа насчитывалось по меньшей мере 3 проекта. Поэтому на его аналитические машины лучше ссылаться во множественном числе.

Удобство и инженерная эффективность

Бэббиджа являются десятеричными устройствами в том смысле, что они используют 10 цифр от 0 до 9, и цифровыми потому, что оперируют только с целыми числами. Значения представлены шестернями, а каждому разряду отведено свое колесо. Если оно останавливается в промежуточном положении между целыми значениями, то результат считается неопределенным, а работа машины блокируется, чтобы показать нарушение целостности расчетов. Это является своеобразной формой обнаружения ошибок.

Бэббидж также рассматривал использование систем счисления, отличных от десятеричной, в т. ч. двоичной и с основанием 3, 4, 5, 12, 16 и 100. Он остановился на десятеричной по причине ее привычности и инженерной эффективности, поскольку благодаря ей значительно уменьшается количество движущихся частей.

Разностная машина №1

В 1821 г. Бэббидж начал разработки с механизма, предназначенного для расчета и табуляции полиномиальных функций. Автор описывает его как устройство для автоматического вычисления последовательности значений с автоматической печатью результатов в виде таблицы. Интегральной частью конструкции является принтер, механически связанный с расчетной секцией. Разностная машина №1 представляет собой первую полноценную конструкцию для автоматического выполнения расчетов.

Время от времени Бэббидж менял функциональные возможности устройства. Дизайн 1830 г. изображает машину, рассчитанную на 16 цифр и 6 порядков разности. Модель состояла из 25 тыс. частей, разделенных поровну между вычислительной секцией и принтером. Если бы устройство было построено, то весило бы, по оценкам, 4 т и имело бы высоту 2,4 м. Работа по созданию разностной машины Бэббиджа была остановлена в 1832 г., после спора с инженером Джозефом Клементом. Государственное финансирование окончательно прекратилось в 1842 г.

Аналитическая машина

Когда работа над разностным аппаратом застопорилась, в 1834 году Бэббидж задумал более амбициозное устройство, которое позже получило название аналитического универсального программируемого вычислительного механизма. Структурные свойства машины Бэббиджа во многом соответствуют основным блокам современного цифрового компьютера. Программирование производится с помощью перфокарт. Эта идея была заимствована у жаккардового ткацкого станка, где они служат для создания сложных текстильных узоров.

Логическая структура аналитической машины Бэббиджа в основном соответствует доминирующему дизайну компьютеров электронной эры, который подразумевает наличие памяти («магазина»), отделенной от центрального процессора («мельницы»), последовательное выполнение операций и средства для ввода и вывода данных и инструкций. Поэтому звание пионера вычислительной техники автор разработки получил вполне заслуженно.

Память и центральный процессор

У машины Бэббиджа есть «магазин», где хранятся числа и а также отдельная «мельница», где выполнялась арифметическая обработка. Она имела набор из 4 арифметических функций и могла выполнять прямое умножение и деление. Кроме того, устройство было способно производить операции, которые теперь получили названия условного разветвления, цикла (итерации), микропрограммирования, параллельной обработки, фиксации, формирования импульсов и т. п. Сам автор такую терминологию не использовал.

ЦПУ аналитической машины которое он называл «мельницей», обеспечивает:

• хранение чисел, операции над которыми производятся немедленно, в регистрах;
• имеет аппаратные средства для произведения с ними основных арифметических операций;
• передачу ориентированных на пользователя внешних инструкций в детальное внутреннее управление;
• систему синхронизации (такт) для выполнения инструкций в тщательно подобранной последовательности.

Механизм управления аналитической машины выполняет операции автоматически и состоит из двух частей: нижнего уровня, контролируемого массивными барабанами, называемыми бочками, и высокого уровня, использующего перфокарты, разработанными Жаккардом для ткацких станков, широко применявшихся в начале 1800-х годов.

Устройства вывода

Результат вычислений выводится различными способами, включая печать, перфокарты, построение графиков и автоматическое производство стереотипов - лотков из мягкого материала, на которых производится оттиск результата, способных служить формой для отливки пластин для печати.

Новая конструкция

Новаторскую работу над аналитической машиной Бэббидж в основном завершил к 1840 г. и начал разрабатывать новое устройство. В период с 1847 по 1849 год он закончил разработку разностной машины №2, представлявшей собой улучшенную версию оригинала. Эта модификация была рассчитана на операции с 31-разрядными числами и могла привести в табличную форму любой полином 7-го порядка. Дизайн был изящно простым и требовал лишь третью часть от количества деталей первоначальной модели, обеспечивая равную с ней вычислительную мощность.

В разностной и аналитической машинах Чарльза Бэббиджа использовалась одна и та же конструкция устройства вывода, которое не только делало распечатку на бумаге, но и автоматически создавало стереотипы и самостоятельно производило форматирование согласно заданному оператором макету страницы. При этом предусматривалась возможность настройки высоты строки, числа столбцов, ширины полей, обеспечивались автоматическое сворачивание строк или столбцов и расстановка пустых строк для удобства чтения.

Наследие

Помимо нескольких частично созданных механических сборок и тестовых моделей небольших рабочих секций, ни одна из конструкций не была реализована полностью в течение жизни Бэббиджа. Основная собранная в 1832 г. модель была 1/7 частью разностной машины №1, которая состояла примерно из 2 тыс. деталей. Она безупречно работает по сей день и является первым успешным автоматическим вычислительным устройством, которое реализует математические расчеты в механизме. Бэббидж умер, когда собиралась небольшая экспериментальная часть аналитической машины. Многие детали конструкции сохранились, как и полный архив чертежей и записок.

Проекты огромных механических вычислительных машин Бэббиджа считаются одним из потрясающих интеллектуальных достижений XIX века. Только в последние десятилетия его работа была детально изучена, и степень важности того, что он совершил, становится все более очевидной.