Информатика в XIX и в начале XX веков. Механические и электромеханические устройства и машины

Всемирной выставке в Париже. Спустя еще несколько лет британское правительство, отказавшее в свое время  в поддержке Бэббиджу, заказало одну из таких машин для правительственной  канцелярии

2.3. Табулятор Холлерита

              Лишь через 19 лет после смерти Бэббиджа один из принципов, лежащих в основе идеи Аналитической машины, (использование перфокарт) нашел воплощение в действующем устройстве. Это был статистический табулятор, построенный американцем Германом Холлеритом с целью ускорить обработку результатов переписи населения, которая проводилась в США в 1890 г. Холлерит родился в г. Буффало (шт. Нью-Йорк) в семье немецких эмигрантов. Закончив Колумбийский университет, он поступил на работу в контору по переписи населения в Вашингтоне. Он прибыл сюда как раз в то время, когда сотни служащих приступили к исключительно трудоемкой (длившейся семь с половиной лет) ручной обработке данных, собранных в ходе переписи населения 1880 г.

               Джон Шоу Биллингс, высокопоставленный чиновник в бюро переписи, в будущем тесть Холлерита, высказал мысль, что табуляцию можно производить при помощи перфокарт, и Холлерит провел значительную часть последующего десятилетия в попытках разработать такую систему. Сейчас трудно сказать, что навело Биллингса на эту идею - возможно, станок Жаккарда или железнодорожные билетики с перфорацией, но, так или иначе, он разрешил Холлериту заниматься проектированием системы. К 1890 г. Холлерит закончил работу. При испытаниях, проведенных в бюро переписи, статистический табулятор Холлерита вышел победителем в соревновании с несколькими другими системами, и с изобретателем был заключен контракт на проведение переписи 1890 г. Система Холлерита стала еще одним этапом в истории развития компьютеров.

             Карты табулятора Холлерита были размером в долларовую бумажку. На каждой карте имелось 12 рядов, в каждом из которых можно было пробить по 20 отверстий, соответствующих таким данным, как возраст, пол, место рождения, количество детей, семейное положение и прочие сведения, включенные в вопросник переписи американского населения. Агенты, проводившие перепись, записывали ответы опрашиваемых в специальные формуляры. Заполненные формуляры отсылались в Вашингтон, где содержащуюся в них информацию переносили на карты путем соответствующего перфорирования. Затем перфокарты загружали в специальные устройства, соединенные с табуляционной машиной, где они нанизывались на ряды тонких игл, по одной игле на каждую из 240 перфорируемых позиций на карте. Когда игла попадала в отверстие, она проходила его, замыкая контакт в соответствующей электрической цепи машины; это в свою очередь приводило к тому, что счетчик, состоящий из вращающихся цилиндров, продвигался на одну позицию вперед.

            Машина Холлерита оказалась настолько быстродействующей, что предварительные подсчеты были завершены через 6 недель, а полный статистический анализ занял два с половиной года. За истекшее с предыдущей переписи десятилетие население США выросло почти на 13 млн. человек, достигнув 62 622 250 человек. Обработка результатов переписи 1890 г. потребовала приблизительно втрое меньше времени по сравнению с предыдущей.

             Холлерит был удостоен нескольких премий, получил немало похвал и звание профессора в Колумбийском университете. «Этот аппарат, - восхищенно писал журнал Electrical Engineer, - работает так же безошибочно, как машины бессмертных богов, но намного превосходит их по быстродействию». Холлерит с гордостью называл себя «первым инженером-статистиком», впрочем, так оно и было на самом деле. Он организовал фирму по производству табуляционных машин «Тэбьюлейтинг машин компани» (Tabulating Machine Company) и продавал их железнодорожным управлениям и правительственным учреждениям. Машины Холлерита закупила царская Россия, решив провести перепись населения на современном уровне

            Предприятию Холлерита сразу же сопутствовал успех, и в дальнейшем оно становилось все более преуспевающим. С годами оно претерпело ряд изменений - слияний и переименований. Последнее такое изменение произошло в 1924 г., за 5 лет до смерти Холлерита, когда он создал фирму IBM (International Business Machines Corporation). Теперь, спустя столетие с того времени, когда Чарлз Бэббидж героически трудился над созданием Аналигической машины. IBM является крупнейшей в мире промышленной фирмой, воплотившей в жизнь его мечту о «машине самого универсального характера». Но даже Бэббидж, с его необузданным воображением, не мог бы, наверное, предвидеть, какие формы примет машина его мечты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Вычислительные  машины и устройства начала XX века

3.1. Арифмометр Чебышева

      В 1876 г. Чебышев выступил с докладом на 5-й сессии Французской ассоциации содействия преуспеванию наук. Доклад назывался «Суммирующая машина с непрерывным движением». Содержание этого доклада неизвестно. Однако можно предположить, что речь шла об одной из первых моделей суммирующей машины. Она создана Чебышевым не позднее 1876 г. и хранится сейчас в музее истории Ленинграда.      

 Первый арифмометр  Чебышева, строго говоря, не может  быть отнесен к классу арифмометров (приборов для выполнения четырех  арифметических действий). Это 10-разрядная  суммирующая машина с непрерывной  передачей десятков. В машине  с непрерывной (дискретной) передачей  колесо высшего разряда продвигается  сразу на одно деление, в  то время как колесо низшего  разряда переходит с 9 на 0. При  непрерывной передаче десятков  соседнее колесо (а вместе с  ним и все остальные) постепенно  поворачивается на одно деление,  пока колесо младшего разряда  совершает один оборот. Чебышев  достигает этого применением  планетарной передачи.      

 Работа оператора при  выполнении сложения на машине  Чебышева была очень простой.  С помощью десяти наборных  колес поочередно вводились слагаемые,  а результат считывался в окнах  считки. На наборных колесах имеются  специальные зубцы, с помощью  которых поворачиваются колеса. В корпусе машины - прорези, в  которых видны эти зубцы, а  рядом с прорезями написаны  цифры (0...9). При вычитании набирается  уменьшаемое, а вычитаемое нужно  набирать, вращая наборные колеса  в обратную сторону.      

 В целом машина приспособлена  для сложения, и вычитание на  ней неудобно. Следующими этапами  работы Чебышева явились постройка  новой модели суммирующей машины  и передача ее в 1878 г. в  Парижский музей искусств и  ремесел, а затем создание множительно-делительной  приставки к суммирующей машине. Эта приставка также была передана  в музей в Париже (1881 г.). Таким  образом, арифмометр, хранящийся  в этом музее, состоит из  двух устройств: суммирующего  и множительно-делительного. Суммирующее  устройство отличается от хранящейся  в Ленинграде суммирующей машины  несколькими несущественными усовершенствованиями, а также большим удобством  в работе.      

 Ряд новых идей был  воплощен и во множительно-делительном  устройстве. Главная и наиболее  плодотворная из них состояла  в автоматическом переводе каретки  из разряда в разряд. Кареткой, т. е. подвижной частью арифмометра,  служила сама приставка. Для  выполнения умножения и деления она устанавливалась на суммирующей машине, образуя с ней единый прибор. При выполнении умножения нужно было только вращать рукоятку арифмометра.       

 После умножения множимого  на цифру одного разряда множителя  арифмометр автоматически прекращает  умножение и переводит каретку  в следующий разряд. Затем счетный  механизм снова включается, и  начинается умножение на цифру  второго разряда множителя. Количество  оборотов рукоятки автоматически  контролируется специальным счетчиком,  который действует то установленного  числа множителя. Этот же счетчик  переключает процесс вычислений  на передвижение каретки и  обратно.

        Одно из последних важных изобретений в области механической счетной техники сделал петербургский инженер В. Однер. Он сконструировал колесо с выдвигающимися зубцами и построил счетное устройство на его основе - «арифмометра Однера».

         Вскоре стали появляться различные разновидности «арифмометра Однера», одной из которых был широко распространенный у нас в свое время арифмометр «Феликс». В первой четверти XX века «арифмометры Однера» являлись единственными широко применявшимися в России и за рубежом математическими машинами.

3.2. Гидравлический интегратор Лукьянова

           Гидравлический интегратор Лукьянова - первая в мире вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений в частных производных - на протяжении полувека был единственным средством вычислений, связанных с широким кругом задач математической физики. Создание гидроинтегратора продиктовано сложной инженерной задачей, с которой молодой специалист В. Лукьянов столкнулся в первый же год работы.

           Академик Михаил Викторович Кирпичев (1879-1955) - специалист в области теплотехники, разработал теорию моделирования процессов в промышленных установках - метод локального теплового моделирования. Метод позволял в лабораторных условиях воспроизводить явления, наблюдаемые на больших промышленных объектах.

           Лукьянов сумел обобщить идеи великих ученых: модель - вот высшая степень наглядности математической истины. Проведя исследования и убедившись, что законы течения воды и распространения тепла во многом сходны, он сделал вывод - вода может выступать в роли модели теплового процесса. В 1934 году Лукьянов предложил принципиально новый способ механизации расчетов неустановившихся процессов - метод гидравлических аналогий и спустя год создал тепловую гидромодель для демонстрации метода. Это примитивное устройство, сделанное из кровельного железа, жести и стеклянных трубок, успешно разрешило задачу исследования температурных режимов бетона.

           Главным его узлом стали вертикальные основные сосуды определенной емкости, соединенные между собой трубками с изменяемыми гидравлическими сопротивлениями и подключенные к подвижным сосудам. Поднимая и опуская их, меняли напор воды в основных сосудах. Пуск или остановка процесса расчета производились кранами с общим управлением.

           В 1936 году заработала первая в мире вычислительная машина для решения уравнений в частных производных - гидравлический интегратор Лукьянова.

               Основные и подвижные сосуды при закрытых кранах наполняли водой до рассчитанных уровней и отмечали их на миллиметровой бумаге, прикрепленной за пьезометрами (измерительными трубками) - получалась своеобразная кривая. Затем все краны одновременно открывали, и исследователь менял высоту подвижных сосудов в соответствии с графиком изменения внешних условий моделируемого процесса. При этом напор воды в основных сосудах менялся по тому же закону, что и температура. Уровни жидкости в пьезометрах менялись, в нужные моменты времени краны закрывали, останавливая процесс, и на миллиметровой бумаге отмечали новые положения уровней. По этим отметкам строили график, который и был решением задачи.

             Появившиеся в начале 50-х годов первые цифровые электронно-вычислительные машины (ЦЭВМ) не могли составить конкуренции «водяной» машине. Основные преимущества гидроинтегратора - наглядность процесса расчета, простота конструкции и программирования.

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Поколение ЭВМ

               Первая отечественная ЭВМ была разработана в 1950 году. За прошедшее время в конструкции машины произошли большие изменения. Время существования ЭВМ определенной конструкции принято разделять на этапы (поколения). В основе такого деления лежат конструкция основных системных деталей и технология, используемая для их изготовления и монтажа. 

               Можно выделить пять поколений ЭВМ, отличающихся элементарной базой, техническими характеристиками и конструктивным исполнением. Каждой смене поколения соответствуют увеличение быстродействия, повышение надежности и уменьшение стоимости ЭВМ.

Первое поколение компьютеров (1945-1956).

             С началом второй Мировой войны  правительства разных стран начали  разрабатывать вычислительные машины, осознавая их стратегическую  роль в введении войны. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе разработал вычислительную машину Z2, выполнявшую расчеты, необходимые при проектировании самолетов и баллистических снарядов. В 1943 году английские инженеры завершили создание вычислительной машины для дешифровки сообщений немецкой армии, названной «Колосс». Однако эти устройства не были универсальными вычислительными машинами, они предназначались для решения конкретных задач. 

                  В 1944 году Говард Эйкен при поддержке фирмы IBМ сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Его назвали «МаркI» по площади он занимал примерно половину футбольного поля и включал более 600 километров кабеля. «МаркI»,был довольно медленной машиной: для того, чтобы произвести одно вычисление требовалось 3-5 секунд. Однако, несмотря на огромные размеры и медлительность, эта машина стала более универсальным вычислительным устройством, чем ее предшественники. «МаркI» управлялся с помощью программы, которая вводилась с перфоленты. Это дало возможность, меняя видимую программу, решать довольно широкий класс математических задач.

                В 1946 году был сконструирован электронный вычислительный интегратор и калькулятор (ЭНИАК) компьютер, в котором электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы. Эти лампы позволяли увеличивать скорость работы ЭНИАК в 1000 разно сравнению с «МаркI». ЭНИАК стал работающим прообразом современного компьютера. Во-первых, ЭНИАК был основан на полностью цифровом принципе обработки информации. Во-вторых, он стал действительно универсальной вычислительной машиной, но использовался для расчета баллистических таблиц, предсказания погоды, расчетов в области атомной энергетики, изучения космоса.