Развитие информационных технологий в период с XIV по XVIII век

Глава 1. Развитие информационных технологий в период с XIV по XVIII век

История создания средств цифровой вычислительной техники  уходит вглубь веков. Она увлекательна и поучительна, с нею связаны  имена выдающихся ученых мира.

В дневниках гениального  итальянца Леонардо да Винчи (1452 - 1519), уже в наше время был обнаружен  ряд рисунков, которые оказались  эскизным наброском суммирующей  вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13- разрядные  десятичные числа. Специалисты известной  американской фирмы IBM воспроизвели машину в металле и убедились в  полной состоятельности идеи ученого. Его суммирующую машину можно  считать изначальной вехой в  истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, своеобразный зародыш будущего электронного сумматора - важнейшего элемента современных  ЭВМ, пока еще механический, очень  примитивный (с ручным управлением). В те далекие от нас годы гениальный ученый был, вероятно, единственным на Земле человеком, который понял  необходимость создания устройств  для облегчения труда при выполнении вычислений.

Однако потребность  в этом была настолько малой, что  лишь через сто с лишним лет  после смерти Леонардо да Винчи нашелся  другой европеец - немецкий ученый Вильгельм  Шиккард (1592-1636), не читавший, естественно, дневников великого итальянца, который  предложил свое решение этой задачи. Причиной, побудившей Шиккарда разработать  счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И.Кеплером. Ознакомившись  с работой великого астронома, связанной, в основном, с вычислениями, Шиккард  загорелся идеей оказать ему  помощь в нелегком труде. В письме, на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает как она устроена. К сожалению, данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила. По-видимому, ранняя смерть от чумы, охватившей Европу, помешала ученому выполнить его  замысел.

Об изобретениях Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда стало известно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны.

В XYII веке положение  меняется. В 1641 - 1642 гг. девятнадцатилетний Блез Паскаль (1623 - 1662), тогда еще мало кому известный французский ученый, создает действующую суммирующую  машину ("паскалину") см. приложение А. В начале он сооружал ее с одной  единственной целью - помочь отцу в  расчетах, выполняемых при сборе  налогов. В последующие четыре года им были созданы более совершенные  образцы машины. Они были шести  и восьми разрядными, строились на основе зубчатых колес, могли производить  суммирование и вычитание десятичных чисел. Было создано примерно 50 образцов машин, Б.Паскаль получил королевскую  привилегию на их производство, но практического  применения "паскалины" не получили, хотя о них много говорилось и  писалось (в основном, во Франции).

В 1673г. другой великий  европеец, немецкий ученый Вильгельм  Готфрид Лейбниц (1646 - 1716), создает  счетную машину (арифметический прибор, по словам Лейбница) для сложения и  умножения двенадцатиразрядных  десятичных чисел. К зубчатым колесам  он добавил ступенчатый валик, который  позволял осуществлять умножение и  деление. "...Моя машина дает возможность  совершать умножение и деление  над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию", - писал В. Лейбниц одному из своих друзей.

В цифровых электронных  вычислительных машинах (ЭВМ), появившихся  более двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (те же самые, что и "арифметический прибор" Лейбница), получило название арифметического. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали  называть арифметико-логическим. Оно  стало основным устройством современных  компьютеров.

Таким образом, два  гения XVII века, установили первые вехи в истории развития цифровой вычислительной техники.

Заслуги В.Лейбница, однако, не ограничиваются созданием "арифметического  прибора". Начиная со студенческих лет и до конца жизни он занимался  исследованием свойств двоичной системы счисления, ставшей в  дальнейшем, основной при создании компьютеров. Он придавал ей некий мистический  смысл и считал, что на ее базе можно создать универсальный  язык для объяснения явлений мира и использования во всех науках, в том числе в философии. Сохранилось  изображение медали, нарисованное В.Лейбницем  в 1697 г., поясняющее соотношение между  двоичной и десятичной системами  исчисления (см. приложение Б).

В 1799 г. во Франции  Жозеф Мари Жакар (1752 - 1834) изобрел  ткацкий станок, в котором для  задания узора на ткани использовались перфокарты. Необходимые для этого  исходные данные записывались в виде пробивок в соответствующих местах перфокарты. Так появилось первое примитивное устройство для запоминания  и ввода программной (управляющей  ткацким процессом в данном случае) информации.

В 1795 г. там же математик  Гаспар Прони (1755 - 1839), которому французское  правительство поручило выполнение работ, связанных с переходом  на метрическую систему мер, впервые  в мире разработал технологическую  схему вычислений, предполагающую разделение труда математиков на три составляющие. Первая группа из нескольких высококвалифицированных  математиков определяла (или разрабатывала) методы численных вычислений, необходимые  для решения задачи, позволяющие  свести вычисления к арифметическим операциям - сложить, вычесть, умножить, разделить. Задание последовательности арифметических действий и определение  исходных данных, необходимых при  их выполнении ("программирование") осуществляла вторая, несколько более  расширенная по составу, группа математиков. Для выполнения составленной "программы", состоящей из последовательности арифметических действий, не было необходимости привлекать специалистов высокой квалификации. Эта, наиболее трудоемкая часть работы, поручалась третьей и самой многочисленной группе вычислителей. Такое разделение труда позволило существенно  ускорить получение результатов  и повысить их надежность. Но главное  состояло в том, что этим был дан  импульс дальнейшему процессу автоматизации, самой трудоемкой (но и самой простой!) третьей части вычислений - переходу к созданию цифровых вычислительных устройств с программным управлением  последовательностью арифметических операций.

Этот завершающий  шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) сделал английский ученый Чарльз Беббидж (1791 - 1871). Блестящий математик, великолепно  владеющий численными методами вычислений, уже имеющий опыт в создании технических  средств для облегчения вычислительного  процесса (разностная машина Беббиджа для табулирования полиномов, 1812 - 1822гг.), он сразу увидел в технологии вычислений, предложенной Г.Прони, возможность  дальнейшего развития своих работ. Аналитическая машина (так назвал ее Беббидж), проект которой он разработал в 1836 - 1848 годах, явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие ЭВМ. В ней предполагалось иметь те же, что и в ЭВМ пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода.

Для арифметического  устройства Ч. Беббидж использовал  зубчатые колеса, подобные тем, что  использовались ранее (см.приложение В). На них же Ч. Беббидж намеревался  построить устройство памяти из 1000 пятидесятиразрядных регистров (по 50 колес в каждом). Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах, на них же записывались исходные данные и результаты вычислений. В число  операций, помимо четырех арифметических, была включена операция условного перехода и операции с кодами команд. Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось устройством управления. Время сложения двух пятидесятиразрядных десятичных чисел составляло, по расчетам ученого, 1 сек, умножения - 1 мин.

Механический  принцип построения устройств, использование  десятичной системы счисления, затрудняющей создание простой элементной базы, не позволили Ч. Беббиджу полностью  реализовать свой далеко идущий замысел, пришлось ограничиться скромными макетами. Иначе, по размерам машина сравнялась бы с локомотивом, и чтобы привести в движение ее устройства понадобился  бы паровой двигатель.

Программы вычислений на машине Беббиджа, составленные дочерью  Байрона Адой Августой Лавлейс (1815 - 1852), поразительно схожи с программами, составленными, впоследствии, для первых ЭВМ. Не случайно замечательную женщину  назвали первым программистом мира.

Еще более изумляют ее высказывания по поводу возможностей машины:

"... Нет конца  демаркационной линии, ограничивающей  возможности аналитической машины. Фактически аналитическую машину  можно рассматривать как материальное  и механическое выражение анализа".

Несмотря на все  старания Ч.Беббиджа и А.Лавлейс  машину построить не удалось... Современники, не видя конкретного результата, разочаровались в работе ученого. Он опередил свое время. И сам понимал это: "Вероятно пройдет половина столетия, прежде чем кто-нибудь возмется за такую  малообещающую задачу без тех  указаний, которые я оставил после  себя. И если некто, не предостереженный моим примером, возьмет на себя эту  задачу и достигнет цели в реальном конструировании машины, воплощающей  в себя всю исполнительную часть  математического анализа с помощью  простых механических или других средств, я не побоюсь поплатиться  своей репутацией в его пользу, т.к. только он один полностью сможет понять характер моих усилий и ценность их результатов". После смерти Ч.Беббиджа Комитет Британской научной ассоциации, куда входили крупные ученые, рассмотрел вопрос, что делать с неоконченной аналитической машиной и для  чего она может быть рекомендована.

К чести Комитета было сказано: "...Возможности аналитической  машины простираются так далеко, что  их можно сравнить только с пределами  человеческих возможностей... Успешная реализация машины может означать эпоху  в истории вычислений, равную введению логарифмов".

Еще один выдающийся англичанин оказался непонятым, это  был Джордж Буль (1815 - 1864). Разработанная  им алгебра логики (алгебра Буля) нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления. "Соединил" математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шенон в своей знаменитой диссертации (1936г.).

Глава 2. История развития информационных технологий с XVIII по XX век

Через 63 года после  смерти Ч.Беббиджа нашелся "некто" взявший на себя задачу создать машину, подобную - по принципу действия, той, которой  отдал жизнь Ч.Беббидж. Им оказался немецкий студент Конрад Цузе (1910 - 1985). Работу по созданию машины он начал  в 1934г., за год до получения инженерного  диплома. Конрад не знал ни о машине Беббиджа, ни о работах Лейбница, ни о алгебре Буля, которая подходит для того, чтобы проектировать  схемы с использованием элементов, имеющих лишь два устойчивых состояния.

Тем не менее, он оказался достойным наследником В.Лейбница и Дж.Буля поскольку вернул к жизни  уже забытую двоичную систему  исчисления, а при расчете схем использовал нечто подобное булевой  алгебре. В 1937г. машина Z1 (что означало Цузе 1) была готова и заработала.

Она была подобно  машине Беббиджа чисто механической. Использование двоичной системы  сотворило чудо - машина занимала всего  два квадратных метра на столе  в квартире изобретателя. Длина слов составляла 22 двоичных разряда. Выполнение операций производилось с использованием плавающей запятой. Для мантиссы и ее знака отводилось 15 разрядов, для порядка - 7. Память (тоже на механических элементах) содержала 64 слова (против 1000 у Беббиджа, что тоже уменьшило  размеры машины). Числа и программа  вводилась вручную. Через год  в машине появилось устройство ввода  данных и программы, использовавшее киноленту, на которую перфорировалась  информация, а механическое арифметическое устройство заменило АУ последовательного  действия на телефонных реле. В этом К.Цузе помог австрийский инженер  Гельмут Шрайер, специалист в области  электроники. Усовершенствованная  машина получила название Z2. В 1941 г. Цузе с участием Г. Шрайера создает  релейную вычислительную машину с программным  управлением (Z3), содержащую 2000 реле и  повторяющую основные характеристики Z1 и Z2. Она стала первой в мире полностью релейной цифровой вычислительной машиной с программным управлением  и успешно эксплуатировалась. Ее размеры лишь немного превышали  размеры Z1 и Z2.

Еще в 1938 г. Г.Шрайер, предложил использовать для построения Z2 электронные лампы вместо телефонных реле. К.Цузе не одобрил его предложение. Но в годы Второй мировой войны  он сам пришел к выводу о возможности  лампового варианта машины. Они выступили  с этим сообщением в кругу ученых мужей и подверглись насмешкам  и осуждению. Названная ими цифра - 2000 электронных ламп, необходимых  для построения машины, могла остудить самые горячие головы. Лишь один из слушателей поддержал их замысел. Они не остановились на этом и представили  свои соображения в военное ведомство, указав, что новая машина могла  бы использоваться для расшифровки  радиограмм союзников.

Но шанс создать  в Германии не только первую релейную, но и первую в мире электронную  вычислительную машину был упущен.

К этому времени  К.Цузе организовал небольшую фирму, и ее усилиями были созданы две  специализированные релейные машины S1 и S2. Первая - для расчета крыльев "летающих торпед" - самолетов-снарядов, которыми обстреливался Лондон, вторая - для управления ими. Она оказалась первой в мире управляющей вычислительной машиной.

К концу войны  К. Цузе создает еще одну релейную вычислительную машину - Z4. Она окажется единственной сохранившейся из всех машин, разработанных им. Остальные  будут уничтожены при бомбежке Берлина  и заводов, где они выпускались.

И так, К.Цузе установил  несколько вех в истории развития компьютеров: первым в мире использовал  при построении вычислительной машины двоичную систему исчисления (1937г.), создал первую в мире релейную вычислительную машину с программным управлением (1941г.) и цифровую специализированную управляющую вычислительную машину (1943г.).

Эти воистину блестящие  достижения, однако, существенного  влияния на развитие вычислительной техники в мире не оказали.

Дело в том, что публикаций о них и какой-либо рекламы из-за секретности работ  не было, и поэтому о них стало  известно лишь спустя несколько лет  после завершения Второй мировой  войны.

По другому  развивались события в США. В 1944 г. ученый Гарвардского университета Говард Айкен (1900-1973) создает первую в США (тогда считалось первую в мире.) релейно-механическую цифровую вычислительную машину МАРК-1. По своим характеристикам (производительность, обьем памяти) она была близка к Z3, но существенно  отличалась размерами (длина 17м, высота 2,5м, вес 5 тонн, 500 тысяч механических деталей).

В машине использовалась десятичная система счисления. Как  и в машине Беббиджа в счетчиках  и регистрах памяти использовались зубчатые колеса. Управление и связь  между ними осуществлялась с помощью  реле, число которых превышало 3000. Г.Айкен не скрывал, что многое в  конструкции машины он заимствовал  у Ч. Беббиджа. "Если бы был жив  Беббидж, мне нечего было бы делать", - говорил он. Замечательным качеством  машины была ее надежность. Установленная  в Гарвардском университете она  проработала там 16 лет.