Аналітична машина, спроектована видатним англійським математиком і винахідником Чарльзом Беббіджем, зайняла найбільш вагоме місце в історії розвитку засобів обчислювальної техніки. При її проектуванні в 1836-1848 роках Беббідж фактично вказав напрям усьому подальшому розвитку електронно-обчислювальних машин (далі – ЕОМ).
Адже, проект створення аналітичної машини передбачав цілий рядмеханізмів, властивих нинішнім ЕОМ. Серед них арифметичні пристрої для обчислення, управління, введення і виведення інформації та установка операційної пам'яті на винахід. А всі програми обчислень в аналітичній машині Беббіджа записувалися на перфокартах.
Найпростішими пристроями для лічби, якими людство користувалося з давніх-давен, були ваги та чотки. У Стародавньому Вавилоні винайшли першу рахівницю – абак. Це стало поштовхом до виникнення найвідоміших та найпрогресивніших винаходів людства в галузі обчислювальної техніки.
В кінці XV – напочатку XVI століття за авторства Леонардо да Вінчі та професора Вільгельма Шикарда були спроектовані механічні обчислювальні пристрої, які могли додавати та віднімати шестизначні десяткові числа.
У 1642 році Блез Паскаль представив «Паскаліну» – першу в світі механічну машину, яка могла додавати та віднімати 5-розрядні десяткові числа.
Відомий німецький математик Лейбніц збудував 1673 року перший механічний калькулятор, який за допомогою двійкової системи числення виконував множення, ділення, додавання, віднімання. Саме двійкова система числення стала базовою в усіх сучасних комп’ютерах.
На основі робіт Вільгельма Лейбніца 1723 рок німецький математик Христіан Людвіг Герстен створив арифметичну машину, яка розраховувала частку та кількість послідовних операцій додавання при множенні чисел.
У 1820 році з’явився перший арифмометр. Його створив француз Том де Кальмар. Механічні пристрої обчислювання були популярні аж до 1970-х років: далі їх замінила надсучасна електроніка.
Ідеї Мюллера та Лейбніца в галузі механіки «підштовхнули» англійського математика Чарльза Беббіджа до створення першої в світі різницевої машини, яка могла б автоматизовано будувати математичні таблиці.
Чарльз Беббідж з'явився на світ 26 грудня 1791 в англійському містечку Тотнес графства Девоншир. З дитячих років хлопчик цікавився алгеброю, мав індивідуальні заняття з особистим репетитором.На час вступу 1811 року в Трініті-коледж від Оксфордського університету вісімнадцятирічний Беббідж перевершував усіх однолітків своїми математичними знаннями.Найбільш близькими його друзями в коледжі стали Джон Гершель, онук великого астронома У. Гершеля, і Джордж Пікок.
Не бажаючи після закінчення коледжу бути третім в списку кращих студентів, Чарльз перевівся до коледжу святого Петра. Дійсно, там він став першим студентом і 1814 року отримав ступінь бакалавра. Через три роки Беббідж отримав вчене звання магістра.
Саме тоді Беббідж зацікавився ідеєю створення обчислювальної машини, що виключала б можливість математичних помилок, здійснюючи розрахунки логарифмічних таблиць.
Справою життя створення обчислювальної машини стало для молодогоматематика після його переїзду до Франції для продовження навчання. Там Беббідж зустрівся з відомим уже на той час математиками, членами Паризької Академії наук, П'єром Лапласом і Жаном-Батистом Фур'є, але найбільше враження на нього справив барон Гаспар де Проні. Наукові праці цього геніального професора допомогли остаточно Беббіджу визначитися зі своїми бажаннями щодо створення технологічних обчислень.
Заслуга де Проні в тому, що він знайшов алгоритмічний і технологічний підходи для зведення складних обчислень до рутинних операцій, що не вимагають від більшості виконавців творчого підходу. Фактично, барон де Проні створив першу обчислювальну машину, де в якості процесора використовувалися обчислювачі. Цей підхід 150 років успішно застосовувався при проведенні складних і навіть дуже складних розрахунків – від розробки конструкцій кораблів до створення перших атомних бомб.
Розподіл обчислювальної роботи у де Проні наводить Беббіджа на думку про заміну людини-обчислювача (який неминуче помиляється) машиною, яка, як вважав Беббідж, помилок не допустить.
Британський учений 1819 року зміг описати машину, здатну розраховувати і друкувати великі математичні таблиці, і сконструював машину для табулювання, що складалася з валів і шестерень, що оберталися за допомогою важеля. Машина могла здійснювати деякі математичні обчислення з точністю до восьмого знака після коми. На ній Беббідж власноруч розрахував таблиці квадратів. Винайшовши цю машину, Беббідж, сповнений творчим ентузіазмом, вважав, що основні труднощі вже позаду.
1822 року Беббідж звернувся до президента Королівського товариства Деві з листом, в якому пропонував побудувати різницеву машину значно більших розмірів, ніж попередня, для розрахунку, в першу чергу,астрономічних та навігаційних таблиць. Цінність різницевої машини Чарльза Беббіджа в тому, що він вперше запропонував машину, яка на відміну від усіх попередніх могла не тільки робити один раз задану дію, але й здійснювати цілу програму обчислень.Поряд з табулюванням поліномів за методом кінцевих різниць на машині можна було розраховувати значення функцій, які не мають постійних різниць, за допомогоювдало підібраних емпіричних формул.
Через фінансову неспроможність проекту роботу над створенням різницевої машини довелося припинити, так і не досягнувши помітного результату.Правда, різницева машина все-таки буде збудована, але лише через 200 років.
На момент припинення робіт над створенням різницевої машини діяльний мозок Беббіджа був зайнятий вирішенням вже іншого, більш важкого завдання. Беббідж захотів створити новий прилад – аналітичну машину (Analytical Engine).На відміну від різницевої машини, аналітична мала бути програмованою і здатною виконувати будь-які задані їй обчислення.
Від арифмометра нова машина відрізнялася наявністю регістрів. У них зберігався проміжний результат обчислення, і з їхньою ж допомогою виконувалися дії, визначені програмою.
Конструкція аналітичної машини Чарльза Беббіджа була дуже подібна до сучасних ЕОМ.У ній були всі три класичні складові сучасного комп'ютера:
- control barrel – керуючий барабан (управляючий пристрій – УП),
- store – сховище (тепер ми називаємо це пам'яттю – ЗП),
- mill – млин (арифметичний пристрій – АП).
Регістрова пам'ять машини Беббіджа була здатна зберігати як мінімум сто десяткових чисел по 40 знаків, теоретично ж могла бути розширена до тисячі 50-розрядних.Арифметичний пристрій мав апаратну підтримку всіх чотирьох дій арифметики. Машина здійснювала додавання за 3 секунди, множення і ділення – за 2 хвилини. «Млин» складався з трьох основних регістрів: два для операндів, а третій для результатів дій, що відносяться до множення. Була також таблиця для зберігання проміжних результатів і лічильник числа ітерацій. Основна програма заносилася на барабан (керуючий пристрій), як додаток до неї можна було використовувати перфокарти.
Значну допомогу при розробці машини Беббіджу надала Ада Лавлейс. Лавлейс була донькою знаменитого англійського поета лордаБайрона. Саме вона згодом створить перші в світі теоретичніоснови програмування, напише перший підручник з програмування і ввійде в історію як «перша програмістка».
Саме Лавлейс належить ідея використання для подачі на вхід машини двох потоків перфокарт, які були названі операційними картами і картами змінних: перші управляли процесомобробки даних, які були записані на других.
Analytical Engine, за задумом автора, повинна була містити пристрій друку і пристрій виведення результатів на перфокарти для подальшого використання. Так що Беббідж став піонером ідеї введення-виведення інформації.
Беббідж запропонував також створити механізм для перфорування цифрових результатів на бланку або металевих пластинках.Длязберігання інформації в пам'яті вчений збирався використовувати не тільки перфокарти, а й металеві диски, які будуть повертатися на осі.Металеві пластинки і металеві диски можуть тепер розглядатися нами як далекі прототипи магнітних карт і магнітних дисків.
На жаль, незважаючи на цілий ряд блискучих здогадок і новаторських винаходів, Чарльзу Беббіджу так і не вдалося закінчити аналітичну машину. Однією з двох головних причин незавершеності роботи була відсутність в часи Беббіджа потрібних передових технологій, а саме неможливість в ті часи обробляти метал з високим ступенем точності, коли для успішної реалізації проекту аналітичної машини знадобилося б кілька тисяч зубчастих коліс. Другою проблемою була фінансова. Якщо спочатку різні наукові товариства з ентузіазмом підтримували Беббіджа, то зовсім скоро вони охололи до затратного проекту з розмитими цілями. Відомо, що вчений з метою знаходження коштів власноруч написав роман, приймав участь у виборах до Парламенту Британської імперії, навіть у свій час грав в лотерею.
Доля Беббіджа – це трагічна долявченого, який поклав усе своє життя на найважливішу для людства справу, але так і не побачив плодів своєї праці. На похороні людини, що передбачила розвиток обчислювальної техніки на сотні років уперед, були присутні всього лише кілька близьких друзів.
Геніальну ідею Беббіджа здійснив Говард Айкен, американський учений, який створив 1944 року перший в США релейно-механічний комп'ютер. Його основні блоки – арифметики i пам’яті були виконані на зубчатих колесах.
Ще на десять років раніше – 1934 року – німецький студент Конрад Цузе, що працював над дипломним проектом, вирішив зробити у себе вдома цифрову обчислювальну машину з програмним керуванням із використанням двійкової системи числення. 1937 року машина Z1 (Цузе 1) запрацювала.
Піонерами електроніки виявилися й англійці – у 1942-43 роках в Англiї за участю Алана Тьюринга була створена ОМ «Колоссус». У ній було 2000 електронних ламп. Машина призначалася для розшифровування радіограм німецького вермахту. Роботи Цузе i Тьюринга були секретними. Про них в той час знали небагато. Вони не викликали будь-якого резонансу у світі.
I лише 1946 року, коли з'явилася інформація про електронний цифровий інтегратор i комп'ютер, створений в США Д.Мочлi та П.Еккертом, перспективність електронної техніки стала очевидною (в машинi використовувалося 18 тис. електронних ламп i вона виконувала майже 3 тис. операцій за сек.). Проте машина залишалася десятковою, а її пам'ять складала лише 20 слів. Програми зберігалися поза межами оперативної пам’яті.
Принципи побудови комп’ютерів, висловлені Еккертом i Нейманом (США, 1946 р.), стали завершенням першого етапу розвитку науки про комп'ютери.
Кожне нове відкриття в сучасній науці змушує нас по-новому дивитися на досягнення минулих століть. Якщо декілька століть тому ім'я Беббіджа було майже забуте, а його роботи не були відповідно оцінені і зрозумілі суспільству, то з розвитком ЕОМ інтерес до його робіт і особистості зріс.
Беббідж постає перед нами як геніальний вчений, який багато в чому передбачив розвиток обчислювальної техніки, що стала найважливішим проявом сучасної науково-технічної революції.
Список використаної літератури:
1. Велика енциклопедія Кирила і Мефодія – 2004.Статті «Чарльз Беббідж» і «Ада Лавлейс».
2. Дорофєєва О. В. Чарльз Беббідж і його аналітична машина / Нові методи і засоби навчання – М., 1993. – С. 65-69.
3. Дорофєєва О. В. Чарльз Беббідж і його аналітична машина: [Про життя і діяльність англ. математика, 1791-1871] / /Математика в школі. – 1995.– № 2. – С. 78-80.
4. І.А.Апокін, Л. Є. Майстрів, І.С.Едлін «Чарльз Беббідж».
5. Інтернет-сайт: http: / joinbiz. Ru. Стаття: «Чарльз Беббідж. Людина, яка випередила свою епоху».
6. Інтернет-сайт: http: / eakolesnikov. Ru. Стаття «Коротка історія перфокарт».
Статтю підготувала студентка ІІІ курсу спеціальності Математика Спиридонова Марія Тарасівна у межах звіту про вивчення курсу «Історія науки і техніки» (викладач – професор Р.Я. Ріжняк).