Чарльз Бэббидж Провозвестник эры компьютеров

Чарльз Бэббидж

Провозвестник эры компьютеров

Природа научных знаний такова, что малопонятные и совершенно бесполезные приобретения сегодняшнего дня становятся популярной пишей для будущих поколений.

Чарльз Бэббидж

Чарльз Бэббидж

Слова сослагательного наклонил «если бы только» связаны с жизнью и деятельностью Чарльза Бэббиджа. Если бы только он пошел немного дальше, если бы только он создал удивительные машины, которые рисовал в своих проектах. Что могло быть? Говард Айкен, который построил один из первых компьютеров, однажды заметил, что если бы Бэббидж жил на 75 лет позже, то изобретатель XIX века мог бы затмить его славу. Такие предположения всегда беспочвенны, и все же существует какая-то ужасная несправедливость — Чарльз Бэббидж был таким дальновидным и так опередил свое время!

Бэббидж жил в то время, когда существующие технологии делали трудным для конструктора компьютеров осуществление его идей. Поэтому Бэббидж не создал компьютер. После его смерти миру пришлось ждать этого изобретения еще около 70 лет. И все же его схема компьютера была настолько близка к цели, что Бэббидж стал неотъемлемой частью ранней истории компьютеров. Его по праву называют провозвестником компьютерной эры.

Если правда в том, что уровень техники XIX века не позволял создать точность, необходимую для построения машин Бэббиджа, то это равнозначно тому, что он был одержим чувством совершенства, которое делало его неспособным закончить один проект, перед тем как начать другой. Следовательно, можно обвинять и самого Бэббиджа, так же как и отсутствие технологии за то, что он не дошел до конца в создании цифровой вычислительной машины. Забытый на десятилетия после своей смерти в 1871 году, Бэббидж получил признание за свою работу только в 40-х годах XX века с началом компьютерной эры.

Если бы он посетил нашу эпоху, он сильно бы удивился, обнаружив, как широко используются компьютеры. И все же, стоило бы ему только посмотреть внутрь любого стандартного компьютера, его удивление уменьшилось. Он мог быть ошеломлен использованием электронной техники, но ему были бы поразительно знакомы основные принципы устройства центрального процессора и памяти.

Бэббидж был одним из величайших изобретателей XIX века. Он сделал так много вещей и сделал их так чрезвычайно хорошо. Он был математиком, инженером и больше всего конструктором компьютеров. Как будто в одном лице было десять разных лиц.

В 1822 году он спроектировал разностную машину, рассматриваемую некоторыми как первое автоматическое вычислительное устройство. Только десятилетие спустя, в 1834 году, он начал конструирование своей аналитической машины. Если бы возникло нечто конкретное, то это могло бы с успехом стать первым универсальным компьютером. Но фактически действующей машины построено не было, поэтому его притязания на славу остались в значительной степени только на тщательно разработанных чертежах. Тем не менее Чарльз Бэббидж добился известности, будучи первым, кто постиг общую концепцию компьютера. Почти все принципы, лежащие в основе сегодняшнего компьютера, были унаследованы от проницательного ученого XIX века. Аналитическая машина Бэббиджа предназначалась для решения любых математических задач. Самое важное — то, что машина также предусматривала наличие нескольких особенностей (условной передачи управления, подпрограмм и циклов), что могло бы сделать ее программируемой. Перфокарты, среда передачи данных, которые, в конечном счете, нашли свое место в компьютере, использовались для ввода программ.

Бэббидж родился 26 декабря 1791 года, в том месте, где сейчас расположен небольшой городок Саутворк, пригород Лондона. Он был слабым, болезненным ребенком с сильным любопытством и одаренным богатым воображением умом. Когда ему давали игрушку, он разламывал ее на части, чтобы узнать, как она сконструирована. Как-то раз он сделал две прикрепленные на петлях доски, которые давали ему возможность ходить по воде. Бэббидж рано проявил склонность к математике, возможно унаследованную от своего отца, банкира. Его детский энтузиазм был направлен на сверхъестественное. Как-то раз он попытался установить контакт с дьяволом, проколов палец, чтобы получить каплю крови, и затем, прочитав молитву Богу задом наперед; Бэббидж был разочарован, обнаружив, что дьявол не появился. Его интерес к оккультному продолжился. Он заключил соглашение с приятелем детства о том, что кто из них умрет первым, появится перед выжившим участником соглашения. Когда друг умер в возрасте 18 лет, Бэббидж простоял целую ночь в ожидании появления призрака — чтобы только обнаружить, что его друг не отнесся серьезным образом к своей роли в этой сделке. Учась в колледже, Бэббидж основал клуб привидений для сбора информации по сверхъестественному феномену.

В октябре 1810 году Бэббидж поступил в Тринити — колледж Кембриджа, где он изучал математику и химию. Его преподаватели были разочарованы, когда Бэббидж решил, что его знания превосходят их. Математика Ньютона, умершего 200 лет назад, все еще удерживала свое влияние в Кембридже, несмотря на новые идеи, циркулирующие в Европе. Бэббидж и его друзья создали клуб, получивший название «Аналитическое общество», обещая друг другу сделать все от них зависящее, чтобы мир стал мудрее, чем он был до них. Общество помогло возродить изучение математики в Англии, делая упор на абстрактной природе алгебры и пытаясь привнести новые идеи.

Бэббидж обдумывал вступление в церковь, но отклонил выбор, обнаружив отсутствие денег на это. Он подумывал о горном деле как о потенциально прибыльном предприятии, но отказался и от этой идеи.

2 июля 1814 года он женился на Джорджиане Витмор. В период с 1815 по 1820 год Бэббидж сильно увлекся математикой. Он изучал алгебру и написал научные статьи по теории функций. Так как он был либералом, то во время правления консерваторов, Бэббидж не смог добиться покровительства, которое обеспечило бы ему хорошо оплачиваемое положение. Было несколько вакансий профессоров, но его попытки получить место профессора были безуспешны. Джорджиана Бэббидж родила восьмерых детей в течение 13 лет, три сына дожили до совершеннолетия. Бэббидж настаивал на том, чтобы его жена заботилась о них и воспитывала их так, чтобы он мог быть свободным и мог заниматься своими исследованиями.

Будучи убежденным эклектиком, Бэббидж занялся продолжительным исследованием того, как сделать жизнь более целесообразной. Он обдумывал более дешевый способ перевозки посылок для почтовых учреждений. Он погружался в океанские глубины в водолазном колоколе, чтобы изучить подводное плавание. Его пытливый ум привел его к проверке возможности для человека ходить по воде — ответ был отрицательный. Он также входил в духовой шкаф, чтобы определить воздействие температуры 256 градусов по Фаренгейту. Он быстро покинул духовой шкаф, получив незначительные ожоги. Бэббидж был плодотворным писателем, опубликовавшим 80 книг и статей в разнообразных отраслях, таких как математика и богословие, астрономия и управление. Его книга «Экономика машин и производства», написанная в 1832 году, была названа первой попыткой производственного исследования. Основные тезисы книги заключаются в том, что промышленность требует научного подхода. Способность к статистике подстрекала его, возможно только шутки ради, вычислить шансы библейских чудес: воскресший из мертвых находился в соотношении не больше, чем один к десяти в 12 степени! Кроме неоспоримого звания дедушки современного компьютера, Бэббидж был крупным изобретателем. Одним его изобретением был «таинственный» маяк, в котором свет вспыхивает и гаснет; эта система используется сегодня во всем мире. Другим изобретением был офтальмоскоп, который врачи до сих пор применяют для осмотра внутренней стороны глаза. Бэббидж изобрел оборудованные приборами железнодорожные вагоны, используемые британскими проводниками для измерения давления, при движении поезда. Это благодаря Бэббиджу британские железные дороги имеют широкую колею. Он был также выдающимся шифровальщиком своего времени, использовавшим математический аппарат для дешифровки. Эта деятельность приносила ему большое удовольствие. Он имел преобладающую характерную черту — стремление к совершенству. Ученый двигался от задания к заданию с настойчивостью, которая порождала вспышки гениальности. Но он был слишком нетерпелив, чтобы позволить себе время перевести эти вспышки в конкретную реальность. Однако он был всегда точен. После чтения строк Теннисона из «Видения греха»: «Каждую минуту умирает человек, каждую минуту рождается», он написал поэту: «Очевидно, что если бы это было правдой, то население стояло бы на мертвой точке». Он предложил следующее: «Каждую мгновение умирает человек и 1 и 1/16 рождается». Теннисон, по-видимому, уловил суть, поскольку изменил строки на «Каждый миг умирает человек, каждый миг рождается».

Наиболее существенный вклад Чарльзом Бэббиджем был сделан в области механических вычислений, хотя признание пришло спустя долгое время после его смерти. Стремившийся к совершенству Бэббидж высоко ценил точность и видел необходимость улучшать механические калькуляторы своего времени. Примитивные и управляемые вручную, они не только медленно работали, но и были склонны к ошибкам. Из-за небрежности ошибки встречались в большом количестве в астрономических картах и навигационных таблицах, ошибки, которые приводили к трагическим кораблекрушениям. Бэббидж пытался изобрести такую машину, которая могла бы выполнять две операции: вычислять и выводить на печать математические таблицы, тем самым избегая ошибок, которые возникают между рукописной копией и отпечатанной версией.

Однажды вечером, когда полусонный Бэббидж просматривал таблицу логарифмов в комнате Аналитического общества, к нему подошел другой член общества и спросил, о чем он мечтает. Посмотрев вверх, Бэббидж ответил, что думает о возможности найти способ подсчитывать все таблицы на машине. Этот короткий, довольно-таки незначительный разговор стал поворотным пунктом в ранней истории компьютеров. Бэббидж решил все свое время использовать для того, чтобы приблизиться к своей цели — автоматизации вычисления математических таблиц. К 1822 году он спроектировал то, что он назвал разностной машиной, маленькое устройство для вычисления таблиц, важных для навигации. Бэббидж создал небольшую рабочую модель. Она могла управлять шестизначными числами и выражать в числах любую функцию, которая имела постоянную вторую разность. Затем 14 июня 1822 года, выступив перед Королевским астрономическим обществом, он предложил создание большой, в натуральную величину разностной машины, первого автоматического вычислительного устройства. Его научный доклад обществу, озаглавленный «Наблюдения за применением машинного оборудования к вычислению математических таблиц», был хорошо принят. «Вся арифметика теперь происходила внутри способного к быстрому восприятию механизма», — писал он позже. Этот доклад был самым первым докладом по механическому вычислению. Бэббидж представлял себе машину, которая могла делать многочисленные вычисления автоматически. Когда машина начнет работать, оператор будет выполнять работу наблюдателя. Как провозгласил Бэббидж в письме к президенту Королевского общества сэру Хемфри Деви, люди теперь избавлены от «невыносимого труда и утомляющей монотонности» математических вычислений; вместо этого машины, используя «гравитационную или любую другую движущую силу», могли запросто заменить человеческий интеллект.

Разностная машина снабжалась бы силовым двигателем при помощи падающего груза, поднимаемого паровой машиной. По одной версии машина Бэббиджа печатала бы числа с 18 знаками. Не было бы больше типографских ошибок, потому что таблицы печатались бы прямо с металлических пластин машины.

К июлю 1823 года Бэббидж добился согласия канцлера казначейства предоставить ему 1500 фунтов, что было гораздо меньше, чем требовалось, но, тем не менее, приличная сумма. Этого было достаточно, чтобы поддержать у Бэббиджа веру в то, что он заручился поддержкой официального покровителя на необходимое время, что было ошибочным мнением с его стороны. Разностная машина была самым крупным проектом того времени, финансируемым правительством, предположительно потому, что правительственные официальные лица были заинтересованы обещанием более точных навигационных и артиллерийских таблиц. В конечном счете Бэббидж вложил от 3000 до 5000 фунтов из собственного кармана, предполагая, что со временем правительство возместит ему затраты. Он нашел выдающегося инструментального мастера Англии Джозефа Клемента, который в свою очередь взял лучших рабочих страны.

Бэббидж надеялся построить действующую машину через два или три года, но скоро обнаружил, что это слишком оптимистично. Собрать вместе детали, которые дали бы ему возможность создать части машины, оказалось намного сложнее, чем предполагалось. Несколько следующих лет он проектировал детали машины, а потом пытался построить машину, которая бы делала сами детали. Это была утомительная и тщетная работа, которая не дала желаемых результатов, хотя способствовала развитию британского инструментального мастерства. Временами казалось, что Бэббидж был сам себе врагом. Его одержимость совершенством толкала его на многочисленные изменения в чертежах. Рабочим приходилось заново изобретать новые детали, затягивая проект. Его младший сын Чарльз умер в июне 1827 года, жена в августе того же года. Бэббидж переложил заботу о выживших детях на свою мать. Он так и не женился вновь. Следующий год Бэббидж провел за границей.

Хотя он унаследовал 100 000 фунтов от отца и получил дополнительных 1500 фунтов от правительства, финансовые дела продолжали беспокоить Бэббиджа. Он вложил свои собственные деньги, друзья предоставили 6000 фунтов. Тем не менее прошло 20 лет после того, как он задумал разностную машину, а она осталась неоконченной, в то время как Бэббидж и британское правительство находилось в конфликте по поводу собственности изобретения. С одной стороны, процесс создания машины разности был замедлен из-за разногласий между Бэббиджем и Клементом. Клемент всегда считал, что с Бэббиджем трудно работать, но еще одна проблема встала, когда Бэббидж решил перенести мастерскую ближе к своему дому (мастерская Клемента была в 4 милях). Когда Бэббидж попросил Клемента переехать с инструментами и чертежами в новую мастерскую, последний отказался. Его не привлекала перспектива вынужденно делить свое время и энергию между двумя рабочими адресами. Бэббидж оказался в затруднительном положении. Он не имел желания платить Клементу из своего собственного кармана, но понимал, что отсутствие Клемента означало бы приостановку проекта. Бэббидж оказался экономным, поэтому все работы по разностной машине были остановлены в 1833 году.

Приблизительно в это же время шведский технический редактор Георг Шютц, прочитав об устройстве в «Эдинбургском обозрении», предпринял попытку построения разностной машины, похожей на машину Бэббиджа. Вскоре к проекту присоединился его сын инженер Эдвард. Не сумев заручиться поддержкой шведского правительства, эти двое продолжали самостоятельно, создав к 1840 году небольшую машину, которая могла производить операции с разностями первого порядка. В течение нескольких следующих лет они расширили машину до трех порядков разности и создали печатающее устройство. К 1853 году они имели свою «табличную машину», как они назвали ее, которая могла выполнять операции с разностями четвертого порядка, обрабатывать 15-значные числа и выводить на печать результаты. Она вычисляла намного быстрее, чем любой человек, и представила первое реальное доказательство тому, что машины могут быть использованы в операциях с числами.

В 1854 году семья Шютцев показала свое изобретение Королевскому обществу в Лондоне, получив поддержку самого Чарльза Бэббиджа. На большой выставке в Париже в следующем году табличная машина завоевала золотую медаль, частично благодаря попыткам воздействия Бэббиджа на членов комиссии. Награжденное золотой медалью, семейство смогло продать машину за 5000 долларов доктору Бенджамину Гоулду, директору Дадлинской обсерватории в Олбани, штат Нью-Йорк. Доктор Гоулд использовал ее для вычисления ряда таблиц, связанных с орбитой планеты Марс. Однако, несмотря на всю точность машинных вычислений, в 1859 году доктор Гоулд был уволен! Табличная машина была передана в Смитсоновский институт. Копия устройства была построена в конце 50-х годов XIX века британским журналом «Реджистер Дженерал». Машина Шютца не всегда функционировало правильно. Существование этой более простой версии машины Бэббиджа наводит на мысль о том, что отсутствие технологии не может являться единственной причиной неспособности Бэббиджа создать свои машины.

Разностная машина Шютцев

Лишенный своих инструментов и чертежей (Клемент присвоил их после спора в 1833 году) Бэббидж решил разработать проект совершенно другой машины, которая была бы легче в изготовлении, чем разностная. Он начал в 1834 году и в течение следующих двух лет создал основные элементы современного компьютера. Еще до создания разностной машины Бэббидж понял ее недостатки. По существу это был калькулятор специального назначения, а компьютер должен быть не только удобным, но и универсальным, способным выполнить любую арифметическую или логическую операцию. Бэббидж назвал это более сложное устройство «аналитической машиной». Если бы он преуспел в ее создании, это был бы первый универсальный компьютер. Важно также и то, что аналитическая машина была задумана как программируемая, поэтому ее команды были изменяемыми. Бэббидж писал, что он был удивлен той силе, которую способен был дать машине, забывая, что ему надо еще построить ее. Его биограф Энтони Хаймэн называл аналитическую машину одним из наиболее важных интеллектуальных достижений.

Идеи Бэббиджа сейчас вызывают удивление своей схожестью с общими концепциями современных компьютеров. Инструкции должны были вводиться в аналитическую машину при помощи перфокарт, затем сохраняться на складе, по существу в памяти современного компьютера. Идея перфокарт была заимствована из революционного тогда ткацкого станка Жаккара, который использовал карты с отверстиями, чтобы автоматически контролировать нити, проходящие над или под движущимся челноком. Бэббидж использовал карты с отверстиями для быстрого ввода команд. К сожалению, он так и не достиг конечной цели в природе современного компьютера. Во- первых, он думал только о механических устройствах, мысль об электричестве, по-видимому, никогда не приходила ему в голову. Он также не представлял себе команды, имеющие две части: операционную и адресную.

Аналитическая машина

Бэббидж обдумывал множество систем счисления для аналитической машины, но остановился на десятичной. Числа должны были содержаться в памяти. Он хотел нанести на колесики по 10 различных позиций чисел. Числа должны были передаваться при помощи системы рычагов на центральное устройство. Контроль всего процесса осуществлялся с помощью нескольких перфокарт, которые точно определяли операцию и обеспечивали адресом объект действия в памяти. Когда команды помещались на операционные карты, устройство, соответствующее центральному процессору современного компьютера, принимало информацию и выполняло операцию. Одна арифметическая операция завершалась за секунду. Результаты затем отсылались в память. Конечные результаты распечатывались — это действие производилось автоматически. Бэббидж предполагал, что емкость запоминающего устройства будет 1000 пятидесятизначных чисел. Исследовав много вариантов для выполнения четырех арифметических действий, он изобрел понятие упреждающего переноса. Это было гораздо быстрее, чем последовательный перенос от одного разряда к другому. Бэббидж также изобрел параллельный перенос, с помощью которого могла быть выполнена целая серия сложений с единственной операцией переноса в конце. Аналитическая машина требовала шесть паровых машин для питания силовых двигателей, которые производили сильный шум.

Современники Чарльза Бэббиджа могли не узнать о достижениях изобретателя, если бы не старания Ады, графини Лавлейс, дочери поэта лорда Байрона. Бэббидж встретил ее впервые на вечеринке, которую он давал 5 июня 1833 года. Ей тогда было 17 лет. 9 лет спустя в Италии итальянский военный инженер, Луиджи Федерико Менабреа, описал математические принципы Аналитической машины в научной статье. В 1843 году Ада Лавлейс выполнила английский перевод научной статьи Менабреа, сопроводив ее обширными примечаниями. Этот перевод дал Англии первое небольшое представление о достижениях Бэббиджа в области компьютеров. Настоящие заметки оцениваются как один из главных документов в истории компьютеров. Ада писала: «Мы можем с большой уверенностью сказать, что аналитическая машина плела алгебраические модели точно так же, как и ткацкий станок Жаккара ткал цветы и листья». Для Бэббиджа Ада и ее муж, граф Лавлейс, стали друзьями на всю жизнь, а Ада, кроме того, стала общественным адвокатом Бэббиджа.

Только в возрасте 71 года Бэббидж был готов предать гласности свои идеи. Его первая разностная машина демонстрировалась в Лондонском научном музее, и Бэббидж был рядом, чтобы объяснить ее действие. В последние годы жизни Бэббидж был бодрым, с постоянным желанием похвастать своей мастерской.

Вечером 18 октября 1871 года, за два месяца до своего восьмидесятилетия, Чарльз Бэббидж умер. Только несколько человек присутствовали на похоронах, что говорило об отсутствии интереса к его работе со стороны его современников.