Малая разностная машина. Чем знаменит Чарльз Бэббидж? Удобство и инженерная эффективность

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.

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

Чарльз Бэббидж

Чарльз Бэббидж (26 декабря 1791, Лондон, Англия - 18 октября 1871, там же) - английский математик, изобретатель первой аналитической вычислительной машины.

Бэббидж родился 26 декабря 1791 года, в том месте, где сейчас расположен небольшой городок Саутворк, пригород Лондона. Он был слабым, болез-ненным ребенком с сильным любопытством и одаренным богатым вообра-жением 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.

В октябре 1810 году Бэббидж поступил в Тринити-колледж Кембриджа, где изучал математику и химию. Он самостоятельно осваивал труды Ньютона, Лейбница, Лагранжа, Лакруа, Эйлера и других математиков академий Санкт-Петербурга, Берлина и Парижа. Бэббидж очень быстро обогнал своих преподавателей по знаниям и был сильно разочарован уровнем преподавания математики в Кембридже. Более того, он заметил, что Британия в целом заметно отстала от континентальных стран по уровню математической подготовки.

Его преподаватели были разочарованы такими выводами Бэббиджа. Математика Ньютона, умершего 100 лет назад, все еще удерживала свое влияние в Кембридже, не-смотря на новые идеи, циркулирующие в Европе.

В связи с этим Бэббидж и его друзья соз-дали клуб, получивший название “Аналитическое общество”, обещая друг другу сделать все от них зависящее, чтобы мир стал мудрее, чем он был до них. Они стали проводить собрания. Обсуждать различные вопросы, связанные с математикой. Начали публиковать свои труды. Например, в 1816 году они опубликовали переведённый ими на английский язык «Трактат по дифференциальному и интегральному исчислению» французского математика Лакруа, а в 1820 году опубликовали два тома примеров, дополняющих этот трактат. Аналитическое общество своей активностью инициировало реформу математического образования вначале в Кембридже, а затем и в других университетах Британии. 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 этот выбор. 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. Джорджиана Бэббидж родила восьмерых детей в течение 13 лет, но лишь трое тз них дожили до совершеннолетия.

В 1816 году Бэббидж стал членом Королевского Общества Лондона. К тому времени он написал несколько больших научных статей в разных математических дисциплинах.

В 1820 году он стал членом Королевского Общества Эдинбурга и Королевского Астрономического Общества.

В 1827 году Бэббидж похоронил отца, жену и двоих детей. В этом же году он вступил на пост руководителя кафедрой математики Кембриджского университе, занимаемый в своё время Ньютоном, и занимал этот пост в течение 12 лет. После того, как он покинул этот пост, он большую часть своего времени посвятил делу его жизни — разработке вычислительных машин.

Главной страстью Бэббиджа была борьба за безукоризненную математическую точность. Он обнаружил погрешности в таблицах логарифмов Непера, которыми широко пользовались при вычислениях астрономы, математики, штурманы дальнего плавания. В 1819 году приступил к разработке своей вычислительной машины, которая помогла бы выполнить более точные вычисления. К 1822 году Бэббидж спроектировал то, что он назвал разностной машиной, маленькое устройство для вычисления таблиц, важных для навигации.

Бэббидж продемонстрировал работу машины на примере вычисления членов последовательности. Работа разностной машины была основана на методе конечных разностей. Малая машина была полностью механической и состояла из множества шестерёнок и рычагов. В ней использовалась десятичная система счисления. Она оперировала 18-разрядными числами с точностью до восьмого знака после запятой и обеспечивала скорость вычислений 12 членов последовательности в 1 минуту. Малая разностная машина могла считать значения многочленов 7-й степени.

За создание разностной машины Бэббидж был награждён первой золотой медалью Астрономического общества. Однако малая разностная машина была экспериментальной, так как имела небольшую память и не могла быть использована для больших вычислений.

14 июня 1822 года, выступив перед Королевским астрономическим обществом, он предложил создание большой разностной машины, первого автоматического вычислительного устройства. Его научный доклад обществу, озаглавленный “Наблюдения за применением машинного обору-дования 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 про-возгласил Бэббидж в письме к президенту Королевского общества люди теперь избавлены от “невыносимого труда и утомляю-щей монотонности” математических вычислений; вместо этого машины, используя “гравитационную или любую другую движущую силу”, могли за-просто заменить человеческий интеллект.

Со своим предложением профинансировать создание большой разностной машины Чарльз Бэббидж обратился в Королевское и Астрономическое общества. И те, и другие отозвались на это предложение положительно. В 1823 году Бэббидж получил 1500 фунтов стерлингов и приступил к разработке новой машины. Он планировал сконструировать машину за 3 года. Однако Бэббидж не учёл сложности конструкции, а также технические возможности того времени.

Бэббидж надеялся построить действующую машину через два или три года, но скоро обнаружил, что это слишком оптимистично. Собрать вместе дета-ли, которые дали бы ему возможность создать части машины, оказалось на-много сложнее, чем предполагалось. Несколько следующих лет он проекти-ровал детали машины, а потом пытался построить машину, которая бы де-лала сами детали. Это была утомительная и тщетная работа, которая не дала желаемых результатов, хотя способствовала развитию британского инстру-ментального мастерства.

У же к 1827 году был о затрачено 3500 фунтов стерлингов. Ход работы по созданию разностной машины сильно замедлился.

В 1830 году Бэббидж получил от правительства ещё 9000 фунтов стерлингов, после чего продолжил конструирование разностной машины.

В 1834 году работы по созданию машины были приостановлены. На тот момент уже было затрачено 17000 фунтов государственных денег и 6000 личных. С 1834 по 1842 год правительство обдумывало, оказывать поддержку проекту или нет. Большая разностная машина должна была состоять из 25 000 деталей, весить почти 14 тонн и быть 2,5 метра высотой. А в 1842 году отказалось финансировать проект. Разностная машина так и не была достроена.

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 совре-менного 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, способ-ным выполнить любую арифметическую или логическую операцию. Бэб-бидж назвал это более, сложное устройство “аналитической машиной”. Если бы он преуспел в ее создании, это был бы первый универсальный компью-тер. Важно также и то, что аналитическая машина была задумана как про-граммируемая, 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.

Идеи Бэббиджа сейчас вызывают удивление своей схожестью с общими концепциями современных компьютеров. Инструкции должны были вво-диться в аналитическую машину при помощи перфокарт, затем сохраняться на складе, по существу в памяти современного компьютера. Мельница (арифметико-логическое устройство, часть современного процессора) должна была производить операции над переменными, а также хранить в регистрах значение переменных, с которыми в данный момент осуществляет операцию. Третье устройство, которому Бэббидж не дал названия, осуществляло управление последовательностью операций, помещением переменных в склад и извлечением их из склада, а также выводом результатов. Оно считывало последовательность операций и переменные с перфокарт.

Если Разностная машина имела сомнительные шансы на успех, то Аналитическая машина и вовсе выглядела нереалистичной. Ее просто невозможно было построить и запустить в работу. В своем окончательном виде машина должна была быть не меньше железнодорожного локомотива. Ее внутренняя конструкция представляла собой беспорядочное нагромождение стальных, медных и деревянных деталей, часовых механизмов, приводимых в действие паровым двигателем.

Аналитическая машина так и не была построена. Все, что дошло от нее до наших дней, - это ворох чертежей и рисунков, а также небольшая часть арифметического устройства и печатающее устройство, сконструированное сыном Бэббиджа.

Наивысшим достижением Чарльза Бэббиджа и вместе с тем его величайшей болью была разработка принципов, положенных в основу современных компьютеров, за целое столетие до того, как появилась техническая возможность их реализации. Он потратил несколько десятилетий, крупные правительственные субсидии и значительную часть собственных средств в попытках создать вычислительную машину, работающую на этих принципах. Интересно, что в процессе работы над проектом Аналитической машины Бэббидж нашел подходы к созданию значительно менее громоздкого устройства Разностной машины №2.

Современники Чарльза Бэббиджа могли не узнать о достижениях изобрета-теля, если бы не старания Ады, графини Лавлейс, дочери поэта лорда Бай-рона. Бэббидж встретил ее впервые на вечеринке, которую он давал 5 июня 1833 года. Ей тогда было 17 лет. 9 лет спустя в Италии итальянский воен-ный инженер, Луиджи Федерико Менабреа, описал математические прин-ципы 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. Для Бэббиджа Ада и ее муж, граф Лавлейс, стали друзьями на всю жизнь, а Ада, кроме того, стала обществен-ным адвокатом Бэббиджа.

Несмотря на то, что Чарльз Бэббидж считается изобретателем вычислительных машин, на самом деле он был очень разносторонний человек. Бэббидж занимался безопасностью железнодорожного движения, для чего оборудовал вагон-лабораторию всевозможными датчиками, показания которых фиксировались самописцами. Изобрёл спидометр. Участвовал в изобретении тахометра. Создал приспособление, сбрасывающее случайные предметы с путей перед локомотивом.

В ходе работ над созданием вычислительных машин, сделал большой прогресс в металлообработке. Сконструировал поперечно-строгальный и токарно-револьверный станки, придумал методы изготовления зубчатых колес. Предложил новый метод заточки инструментов и литья под давлением.

Он содействовал реформированию почтовой системы в Англии. Составил первые надёжные страховые таблицы. Занимался теорией функционального анализа, экспериментальными исследованиями электромагнетизма, вопросами шифрования, оптикой, геологией, религиозно-философскими вопросами.

В 1834 году Бэббидж написал одну из самых важных работ «Экономика технологий и производств», в которой он предлагал то, что сейчас называется «Исследованием операций».

Он был одним из основателей Лондонского статистического общества. В числе его изобретений были спидометр, офтальмоскоп, сейсмограф, устройство для наведения артиллерийского орудия.

Кроме того, Бэббидж был очень общительным человеком. Часто по субботам он собирал в доме гостей. Иногда приходило от 200 до 300 гостей, среди которых были такие знаменитые люди того времени: Жан Фуко, Пьер Лаплас, Чарльз Дарвин, Чарльз Диккенс,Александр Гумбольдт. Помимо этого он поддерживал близкие отношения с Юнгом, Фурье, Пуассоном, Бесселем, Мальтусом.

Бэббидж оставил огромный след в истории XIX века. И сделал переворот не только в математике и вычислительной технике, но и в науке в целом.

Вечером 18 октября 1871 года, за два месяца до своего восьмидесятилетия, Чарльз Бэббидж умер.

P.S.

Уже 130 лет существует Международное сообщество IEEE - The Institute of Electrical and Electronics Engineers - Институт инженеров по электротехнике и электронике . К числу его основателей принадлежат Томас Эдисон, Александр Белл, Никола Тесла. Это международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике.

С 1981 года существует Медаль "Computer Pioneer" - Пионер компьютерной техники , - самая престижная награда Компьютерного сообщества IEEE . Вручается эта медаль за выдающиеся достижения в компьютерных науках, при этом основной вклад должен быть совершен более 15 лет назад. Так вот, на лицевой стороне Медали "Computer Pioneer" выполнен барельеф выдающегося британского учёного Чарльза Бэббиджа.

Лауреатами этой почетной награды стали такие классики отечественной науки как:

• В.М. Глушков с формулировкой "основал первый в СССР Институт Кибернетики на Украине, разработал теорию цифровых автоматов и компьютерной архитектуры, а также рекурсивный макроконвейерный процессор";
• С.А. Лебедев - "разработал и построил первый советский компьютер и основал советскую компьютерную промышленность";
• А.А. Ляпунов - "разработал теорию операторных методов для абстрактного программирования и основал советскую кибернетику и программирование".

По материалам Википедии и статьи "Чарльз Бэббидж. Провозвестник эры компьютеров" книги А. Частикова "Архитекторы компьютерного мира", сайта ieee.ru .

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 вклад в информатику, известного английского математика, изобретателя первой аналитической вычислительной машины изложен в этой статье.

Чем знаменит Чарльз Бэббидж?

Изобретения Чарльза Бэббиджа: первая аналитическая вычислительная машина, спидометр, офтальмоскоп, сейсмограф, устройство для наведения артиллерийского орудия. Участвовал в изобретении тахометра. Создал приспособление, сбрасывающее случайные предметы с путей перед локомотивом.

Английский математик является величайшим изобретателем XIX века. Кроме того, что он серьезно увлекался математикой, теоретическими работами, Беббидж еще руководил кафедрой в Кембриджском университете и увлекался механическими куклами, шифрами и ключами-замками разной сложности.

Возможно, благодаря своим увлечениям Чарльз вошел в историю как человек, сконструировавший первый полноценный компьютер. Стоит отметить, что счетные механические машины были уже известны c XVII века, но они были ненадежны и примитивны. Беббидж, будучи одним из основателей астрономического Королевского общества, загорелся идеей создать мощный механический вычислитель, способный выполнять в автоматическом режиме длинные и важные калькуляции.

Люди использовали математические таблицы во всех областях. Рассчитанные вручную таблицы часто были с погрешностями и в некоторых ситуациях стояли людям жизни. Поэтому еще в молодости, в начале 20-тых годов XIX века Чарльз Бэббидж написал работу, в которой обосновал тезис о том, что автоматизация создания математических таблиц обеспечит высокую точность, так как этапы порождения ошибок будут полностью исключены. Он в 1822 году разработал первое вычислительное устройство — «Разностную машину». Она реализовала сложные вычислительные операции, деления и умножения сводились к простым сложениям разных чисел.

Спустя десятилетие, математик в 1834 году приступил к конструированию аналитической машины. Он тщательно разработал чертежи, опираясь на постигнутую концепцию компьютера. Вычислительная машина Чарльза Бэббиджа предназначалась для решения математических задач любой сложности. Свою разработку «Аналитической машины» ученый завершил к 1840 году. Но воплотить чертежи в жизнь не удалось из-за наличия технологических проблем. Поэтому Беббидж приступил к проектированию «Разностной машины №2», которая стала промежуточной ступенью между первой и второй машинами, способной вычислять алгебраические функции автоматически.

В чем же суть достижений Чарльза Бэббиджа?

Суть достижений математика заключается в том, что он был первым, кто в полной мере сформулировал идеи создания компьютерной машины , которые стали основой создания современных компьютеров.

Ученый спроектировал систему, которая работала по принципу последовательности перфокарт. Данная система выполняла любые вычисления и была очень гибкой. Бэббидж является автором развитой конструкции принтера и перфокарт, автоматически выполняющие ввод и вывод нужной информации. Его «Аналитическая машина» могла сохранять промежуточные результаты проведенных вычислений для дальнейшей обработки и калькуляции. Кроме того, что машине были присущи «память» и «процессор», она также реализовывала условные переходы в разветвляющих алгоритмах вычислений и реализовывала цикли многократных повторений. Но через ряд технологических причин его машина не реализовались при жизни Беббиджа. Ему так и не удалось увидеть реального воплощения своих идей.

Английский математик и инженер Чарльз Бэббидж (1791-1871) является одной из самых значительных фигур в предыстории компьютерных вычислений. Его по праву называют отцом вычислительной техники. Построенная им разностная машина № 1 (Difference Engine № 1) была первым успешным автоматическим устройством и остается примером инженерной точности даже в наше время. Хотя идеи Бэббиджа прямо не повлияли на создание современных компьютеров, его Аналитическая машина, задуманная в 1834 г., обладала всеми существенными логическими возможностями сегодняшних универсальных ПК.

Чарльз Бэббидж родился 26 декабря 1791 г. в Уолворте, графство Суррей, Англия. Он был одним из четырех детей в семье банкира Бенджамина Бэббиджа и Элизабет Тип (Elizabeth Teape). В юные годы Чарльз самостоятельно изучал алгебру, в которую был прямо-таки влюблен, а также штудировал труды многих европейских математиков. Посещая Тринити-Колледж в Кембридже в 1810 г., он обнаружил, что опережает в этой области некоторых учителей. Свое образование он завершил в в 1814 г. в Питерхаузе (колледж Святого Петра, Кембридж). В 1816 г. Чарльз Бэббидж был избран членом Королевского общества и занимал должность Лукасовского профессора математики (основана лордом Генри Лукасом в 1663 г.) в Кембриджском университете с 1828 г. по 1839 г.

Для правильной оценки мотиваций Чарльза Бэббиджа необходимо немного представить «технологическую атмосферу» 20-30-х годов XIX столетия. Это было время беспрецедентных инженерных амбиций. Транспорт, коммуникации, архитектура и производство находились в состоянии лихорадочных изменений. Изобретатели и конструкторы использовали новые материалы и процессы, и, казалось, инновациям не будет конца. Паровые машины неуклонно заменяли тягловую силу животных, металлические пароходы начали конкурировать с парусными судами, сеть железных дорог стремительно расширялась, а телеграф совершил революцию в коммуникациях. Расцвет науки, инженерии и появление новых технологий сулили неограниченные возможности.

В то же время архитекторы, математики, астрономы, штурманы, специалисты ряда других профессий, в общем, все, кому необходимо было выполнять нетривиальные вычисления, использовали для этого напечатанные числовые таблицы, которые вычислялись, копировались, проверялись и набирались для печати вручную. Однако людям свойственно ошибаться, и предчувствие, что необнаруженная в расчетах ошибка приведет к катастрофе, никогда не покидало пользователей этих таблиц. Современник Бэббиджа Дионисиус Ларднер (Dionysius Lardner) написал в 1834 г., что случайная выборка из 40 томов числовых таблиц содержала не менее 3700 подтвержденных ошибок и неизвестное количество неподтвержденных. Это обусловливалось тремя основными причинами: ошибками в вычислениях, при подготовке рукописей и при наборе и печати.

Чарльз Бэббидж был не только экспертом в числовых таблицах, но и большим их поклонником: его собственная коллекция насчитывала около 300 томов и слыла самой представительной в мире. Он весьма критически относился к ошибкам, и его основным мотивом для разработки счетной машины стало желание удалить риск их возникновения при создании математических таблиц.

Довольно активные попытки автоматизировать вычисления предпринимались еще в XVII-XVIII веках. Приведем здесь наиболее известные примеры. Так, в 1623 г. Вильгельм Шиккард (Wilhelm Schickard) построил первый дискретный автоматический калькулятор и таким образом, по существу, открыл компьютерную эру. Его устройство, которое называлось «вычисляющие часы», было способно складывать и вычитать шестизначные числа и сообщало о переполнении звуком колокольчика. Операции выполнялись с помощью колесиков, и полный оборот колесика единиц инкрементировал колесо десятков. Эта концепция впоследствии нашла широкое применение. Шиккард был другом Иоганна Кеплера, и говорят, что тот пользовался изобретением Шиккарда при своих вычислениях. И машина, и ее чертежи пропали во время войны. Она была вновь «переоткрыта» в 1935, чтобы снова затеряться в очередной войне, а затем еще раз в 1956 г., и реконструирована в 1960-м.

Блез Паскаль построил суммирующий аппарат в 1642 г. Хотя его Pascaline была и не столь мощной, как машина Шиккарда, она получила большую известность. Он собрал около 50 штук, но смог продать только дюжину различных модификаций, работающих с восьмизначными числами.

В 1671 г. известный математик Готфрид Лейбниц разработал устройство, которое могло умножать пяти- и двенадцатиразрядные числа и давать шестнадцатиразрядный результат. Оно затерялось на чердаке и было вновь изобретено в 1879 г. Однако наибольшим вкладом Лейбница в вычисления считается введение им двоичной системы счисления, использующейся сегодня во всех компьютерах. Но вернемся к Чарльзу Бэббиджу.

Предание гласит, что в 1821 г. Бэббидж и его друг, астроном Джон Гершель (John Hershel), сын известного астронома сэра Уильяма Гершеля, открывшего планету Уран, проверяли вручную числовые таблицы и находили одну ошибку за другой. Тогда Чарльз в отчаянии воскликнул: «Господи, если бы эти вычисления выполнялись с помощью пара!». Именно после этого он задумал сконструировать механический вычислитель беспрецедентной величины и сложности. Стереотипирование - процесс автоматической штамповки результатов - должно исключить ошибки при тиражировании таблиц. Таковым являлся план, который изобретатель, к сожалению, не смог реализовать при жизни. И причиной тому стали отнюдь не принципиальные ошибки.

Итак, Бэббидж начал работу над своим проектом в 1821 г. В отличие от калькуляторов Шиккарда, Паскаля и Лейбница, разностная машина Бэббиджа предназначалась не для выполнения базовой арифметики, а для вычисления полиномов, имеющих множество приложений, и автоматической печати результатов. Она использовала метод разделенных разностей, хорошо известный тогда. Его преимущество заключается в том, что вычисление значений полиномов (в частном случае) на последовательности равноотстоящих точек не требовало производить операции умножения и деления, а сложение на механических калькуляторах было реализовать намного легче.

Однако технологические требования для производства частей машины Бэббиджа выходили за стандарты существующей на тот момент инженерной практики. Сложные формы деталей нуждались в специальных шаблонах и инструментах, к тому же необходимо было изготовить сотни идентичных деталей с довольно высокой точностью. К сожалению, Бэббидж задумал свою машину в то время, когда технология производства находилась в переходном периоде между ручным штучным и массовым изготовлением, и средств для автоматического производства повторяющихся деталей еще не было.

Конечно, Бэббидж тщательно рассмотрел существующие технологию и практику производства, посетив фабрики и мастерские как в Англии, так и на континенте. И сделал неутешительные выводы: точность и сложность требуемых для его машины деталей находятся за пределами возможностей технологии того времени. Согласно проекту полноразмерная разностная машина № 1 должна была состоять приблизительно из 25 тыс. деталей, суммарный вес которых достигал примерно 15 т. В собранном виде ее размеры составляли 2,1×2,5×0,9 м (Д×В×Ш).

Для создания проекта Чарльз Бэббидж нанял опытного инструментальщика и чертежника Джозефа Клемента (Joseph Clement). Законченная часть машины была собрана в 1832 г. и сегодня является одним из наиболее известных экспонатов в предыстории вычислительной техники. Это старейший из сохранившихся автоматических калькуляторов и пример непревзойденной по тем временам точности изготовления.

Надо сказать, что Бэббидж получил от правительства огромный грант - 17 500 фунтов стерлингов. Но работа над машиной остановилась в 1833 г., когда Клемент отказался от дальнейшего участия ввиду неразрешимого спора о компенсации за перемещение его мастерской на расстояние 4 мили к новому жилищу Бэббиджа. Так это устройство никогда и не построили. Около 12 тыс. неиспользованных частей, изготовленных с высокой точностью, позднее расплавили на лом. За средства, потраченные на разработку, можно было купить 22 новых паровоза на фабрике Роберта Стивенсона - чудовищная сумма в 1831 г.

Но Чарльз Бэббидж не сдался. В 1834 г. он задумывает новый, более амбициозный проект - универсальную программируемую вычислительную машину, впоследствии названную аналитической (Analytical Engine). Это был качественный скачок как в отношении логической концепции, так и инженерной конструкции. Данная модель расценивается как одно из замечательнейших интеллектуальных достижений XIX столетия.

Аналитическая машина обладала многими особенностями, присущими современным цифровым компьютерам. Она программировалась с помощью перфокарт - идея была заимствована из ткацкого станка Жаккарда, где они использовались для выработки крупноузорчатых тканей. Машина имела «склад», где хранились числа и промежуточные результаты, и отдельную «фабрику», выполняющую арифметические операции. В нее были «встроены» четыре арифметические функции, и она могла осуществлять прямые операции умножения и деления. Аналитическая машина также выполняла ряд действий, которые в современной терминологии носят названия «условный переход», «цикл», «микропрограммирование», «параллельная обработка», «защелка», «опрос», хотя сам Бэббидж никогда не применял этих терминов. В ней предполагались разные устройства вывода, включающие вывод на печать, перфоратор, плоттер и автоматическое получение стереотипов для изготовления печатных форм.

Логическая структура аналитической машины, по существу, совпадала с таковой для современных компьютеров: отдельные память (склад) и центральный процессор (фабрика), последовательные операции, использующие цикл «выборка-исполнение», и блоки для ввода и вывода данных и инструкций.

Небезынтересно отметить, что в 1833 г. на сцене появляется Ада Лавлейс, дочь английского поэта лорда Байрона, эпатировавшего лондонский истеблишмент до такой степени, что даже Пушкин, тоже не подарок, от него открещивался. «Нет, я не Байрон, я - другой...», - писал он, возможно, с сожаленьем.

Чарльз Бэббидж встретил ее на какой-то вечеринке. Лавлейс, которой исполнилось тогда семнадцать, имела некоторые познания в математике, что считалось весьма необычным для женщин того времени. Она познакомилась с небольшой рабочей секцией машины и сразу же стала приверженцем работы Бэббиджа. В 1843 г. Лавлейс перевела и опубликовала статью итальянского инженера Луиджи Менабреа (Luigi Menabrea) и написала к ней довольно обширное приложение, занимавшее в три раза больший объем, чем сам оригинал. Оно включало описание шагов, которые должна была сделать машина для решения определенной математической задачи, то есть, по сути, представила первое описание программы.

Лавлейс предположила, что машина способна выйти за границы чисел и манипулировать символами по определенным правилам. Она увидела, что числа могут быть представлены другими сущностями - например, буквами алфавита, и вместо манипулирования только цифрами вычислительные машины расширят свои возможности.

Эта запись, как показал XX век, оказалась пророческой, и появления программ Бэббидж не предвидел, несмотря на прозорливость.

В процессе работы над аналитической машиной он понял, как можно упростить разностную машину, и в период между 1847 г. и 1849 г. приступил к созданию ее второго варианта - Difference Engine № 2. Проект был более элегантный, поскольку вобрал в себя многие наработки от аналитической машины и требовал в три раза меньше деталей, чем предыдущий, при этом сохраняя все его возможности. С 8 тыс. деталей машина весила бы 5 т.

Бэббидж не предпринимал никаких попыток построить разностную машину № 2. Нужно сказать, что кроме нескольких частично завершенных механических сборок и тестовых моделей небольших работающих секций, ни одна из машин изобретателя не была построена в течение его жизни.

Чтобы доказать тезис, что только ограниченные возможности технологий викторианской эпохи стали основной причиной того, что Бэббидж не смог построить свои машины, Музей науки в Лондоне начал в 1985 г. создавать разностную машину № 2 по его оригинальным чертежам и из материалов, которые наиболее соответствовали бы тому периоду. Для производства повторяющихся деталей использовалась современная техника, точность же постарались оставить на уровне времен Бэббиджа. Вычислительная секция устройства, законченная в 1991 г., состоит из 4 тыс. движущихся деталей (исключая печатающий механизм) и весит 2,6 т. Ее длина достигает 3,4 м, высота - 2,1 м, а ширина - 5,5 м. В 2000-2002 гг. Музей добавил печатающее устройство, которое по размерам оказалось почти таким же, как и калькулятор, и весило 2,5 т, а также аппаратуру для стереотипирования. Таким образом, в целом проект занял 17 лет.

Дубликат машины и принтера, или «второй оригинал», закончили в апреле нынешнего года для частного благотворителя проекта Натана Мирвольда (Nathan Myhrvold), в прошлом вице-президента Microsoft. Мирвольд любезно согласился немного подождать с доставкой машины в его резиденцию и «одолжил» этот уникальный экспонат Музею истории компьютера в Маунтейн-Вью, Калифорния, где он будет выставлен вплоть до мая 2009 г. Можно сказать, что постиндустриальный век отдал должное человеку, который заложил его основы еще 160 лет назад.

Главная » Правила в английском языке » Малая разностная машина. Чем знаменит Чарльз Бэббидж? Удобство и инженерная эффективность