Убедившись, что машина Бэббиджа исправно работает, Адмиралтейство дало ему грандиозный заказ – разработать еще более совершенное устройство для расчета навигационных таблиц, которыми пользуются моряки.
По замыслу, машина, приводимая в действие паром, должна была занимать целую комнату и производить вычисления с точностью уже до 20–го знака! Однако за 10 лет Бэббидж смог построить лишь один из ее блоков, и на этом дело застопорилось. Во–первых, не хватало денег, а во–вторых, изобретатель увлекся идеей принципиально иной машины – «аналитической», способной выполнять по заказу любые счетные операции с какой угодно точностью.
К середине XIX века Бэббидж разработал и описал принцип центрального процессора («мельницу»), ввод программ («инструкций») с помощью перфорированных карт, блок памяти («склад»), печатающее устройство, роль которого должен был выполнять печатный пресс. Словом, единственное, чего не хватало паровому компьютеру, чтобы с полным правом называться прародителем современных ЭВМ, – так это возможности хранения команд (stored–program) в том же оперативном запоминающем устройстве, где содержатся исходные данные.
Впрочем, скорость счета «аналитической машины» Бэббиджа вызывает сегодня улыбку: по идее, одна операция сложения занимала три секунды, а умножения или деления – 2–3 минуты. Впрочем, и это было чистой фантастикой для эпохи, когда самым быстрым средством передачи информации являлась скаковая лошадь с всадником.
Бэббидж долго мучился со своим проектом; возможно, он так и забросил бы его, если бы не помощь удивительной женщины. Она была единственной дочерью поэта Байрона, увлекалась математикой и бескорыстно помогала (деньгами и расчетами) своему кумиру.
Судьба ее удивительна. Ее родители – Джордж Гордон Байрон и Аннабелла Милбэнк – расстались, когда девочке был всего месяц.
Отец больше не интересовался дочерью, зато мать и ее друзья всячески поддерживали интерес растущей Августы Ады к разным наукам и искусствам. В итоге к совершеннолетию она прекрасно играла на многих музыкальных инструментах, свободно владела несколькими иностранными языками и всерьез увлекалась математикой.
Семейная жизнь ее тоже сложилась счастливее, чем у родителей. Ее муж, граф Лавлейс с одобрением относился к научным занятиям жены и помогал ей, чем мог.
Ада же, познакомившаяся в доме матери с изобретателем Бэббиджем, всерьез заинтересовалась его работой и занялась математическим обоснованием его проекта. Говоря проще, она составила ряд первых программ, по которым должна была работать эта удивительная машина.
Однако ни она, ни сам Бэббидж так и не увидели в работе машину, способную, по словам Лавлейс, «ткать математические уравнения так же искусно, как жаккардовый станок – узоры из цветов и листьев». Леди вскоре заболела и 27 ноября 1852 года скончалась, не дожив несколько дней до своего 37–летия.
А изобретатель, оставшись без помощницы, так и не сумел довести свой замысел до логического завершения. В 1879 году правительственная комиссия решила, что нет решительно никаких возможностей достроить машину, поскольку к тому времени умер и сам Бэббидж. Но вот что интересно. В 1989–1991 годах группа энтузиастов из Лондонского музея науки построила–таки придуманный им аппарат. И он заработал, считая до 31–го знака после запятой!
В те же времена (1843 год) первую деревянную (!) модель «дифференциальной машины» построили шведы – отец и сын Шойтцы, наслышанные о работах Бэббиджа. Шведское правительство решило профинансировать их, и спустя десять лет после начала работы конструкция, созданная Шойтцами, успешно справлялась с уравнениями четвертого порядка.
В 1937 году американский физик Говард Гатуэй Айкен начал работать в Гарвардском университете над своей диссертацией. Многие считали, что он поздновато занялся наукой – Айкену было уже около 40 лет, но исследователь вообще предпочитал идти нестандартным путем.
Закончив военно–техническую школу в Индианаполисе, Айкен поступил в Висконсинский университет, где в 1923 году получил степень бакалавра в области электротехники.
Но молодого инженера тянуло к «чистой науке» – математике и физике. И в 1931 году он снова стал студентом, на этот раз Чикагского университета. А в следующем году перешел в Гарвард, где и завершил свое научное образование.
Теоретическая часть диссертации Айкена требовала решения так называемых нелинейных дифференциальных уравнений. Чтобы сократить себе вычислительную работу, Айкен захотел придумать несложную машину для автоматического решения подобных уравнений. И в конце концов, пришел к идее автоматической универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг научно–технических задач.
Он показал свой проект руководству фирмы «ИБМ». Руководители согласились финансировать создание такого устройства и выделили в помощь Айкену четырех инженеров. Эта команда и построила за 5 лет «вычислительную машину с автоматическим управлением последовательностью операций» (АСКК), которую затем окрестили «Марк–1». В августе 1944 года она была закончена и передана Гарвардскому университету для испытаний.
Самое интересное, что человек, широтой своих интересов и образом мышления весьма напоминавший Чарлза Бэббиджа, с идеями великого англичанина познакомился случайно, спустя три года после начала работы над «Марком». И, пораженный предвидением Бэббиджа, воскликнул: «Живи он в наши дни, я остался бы безработным!»
В конструкции «Марка» использовались как механические элементы для представления чисел, так и электромеханические – для управления работой машины.
Управлялся «Марк» командами, вводимыми с помощью перфорированной ленты. Каждая команда кодировалась посредством пробивки отверстий в 24 колонках, идущих вдоль ленты, и считывалась с помощью контактных щеток. Все электрические сигналы, полученные в результате «прощупывания», определяли действие машины на данном шаге вычислений.
После завершения операции лента сдвигалась, и под контактные щетки попадал следующий ряд отверстий.
В качестве устройств вывода Айкен использовал пишущие машинки и перфораторы. «Марк–1» содержал все основные блоки аналитический машины: устройства ввода и вывода, устройство управления, память («склад») и арифметическое устройство («мельница»).
Машина выполняла операции сложения и вычитания за 0,3 секунды, умножение – за 5,7 секунды, деление – за 15,3 секунды. Таким образом, «Марк» заменял примерно 20 операторов, работающим с ручными счетными машинами.
Мечта Бэббиджа сбылась!
Запустив «Марк–1», гарвардская группа, превратившаяся к тому времени уже в вычислительную лабораторию университета во главе с тем же Айкеном, начала работу над проектом «Марк–2». В этой машине для запоминания чисел, выполнения арифметических операций и операций управления должны были использоваться электромеханические реле. Законченный в 1947 году «Марк–2» содержал около 13.000 реле и был, таким образом, чисто релейной вычислительной машиной.
Каждая десятичная цифра была представлена здесь в двоичной форме и хранилась в группе из четырех реле.
В двоичной системе счисления используются две цифры – 0 и 1, и любое число поэтому представляется как последовательность нулей и единиц. Например, число 53 в двоичной системе выглядит как 110101.
Широкое использование двоичной системы в вычислительной технике обусловлено существованием простых технических аналогов двоичной цифры – например, электромеханических реле, которые могут находиться в одном из двух устойчивых состояний. Скажем, когда контакты разомкнуты, пусть это будет соответствовать 0, а когда замкнуты – 1. В таком случае для представления одной десятичной цифры потребуется 4 двоичных разряда (скажем, цифра 9 выглядит как 1001).
Арифметические операции выполнялись в сумматоре, который в новой машине, в отличие от «Марк–1», был отделен от памяти. Время выполнения операций сложения и вычитания занимало примерно 0,125 секунды. Умножение выполнялось в отдельном устройстве и требовало в среднем 0,25 секунды, а операция деления была заменена операцией вычисления приближенных значений обратных величин.
Обычно «Марк–1» считают первенцем среди электромеханических вычислительных машин. Но это не так. Еще в 1941 году немецкий инженер К. Цузе построил специализированную программно–управляемую релейную машину для решения задач строительной механики. Одна из ее модификаций – универсальная машина Z–4, пущенная в марте 1945 года, – какое–то время использовалась для научных расчетов в Геттингенском университете.
Но Берлин уже бомбили, войска союзников неумолимо приближались к нему. И потому машину разобрали, тайно вывезли из осажденного города. И она в разобранном виде пролежала три года в каком–то хлеву, прежде чем была доставлена в Цюрихскую высшую техническую школу.
У Цузе нашелся конкурент в Америке. В 1937 году работу над релейной машиной, способной выполнять арифметические операции над комплексными числами, начал сотрудник фирмы «Белл» математик Джордж Штибитц. Его машина «Модель–1» была продемонстрирована в октябре 1940 года на заседании Американского математического общества. Причем комплексные числа вводились в машину Штибитца, находившуюся в Нью–Йорке, с помощью расположенного в зале заседания телетайпа; а результаты вычислений передавались из Нью–Йорка по телеграфному каналу и воспроизводились печатающим устройством.
Правда, «Модель–1» была специализированной вычислительной машиной и не имела устройства автоматического управления вычислениями. Это устройство появилось в «Модели–2». Машина имела объем памяти в 5 пятиразрядных десятичных чисел. Вслед за этой машиной, законченной в 1943 году, были построены еще две: «Модель–3» и «Модель–4».
«Модель–3», известная под названием «баллистической вычислительной машины», имела несколько больший объем памяти, содержала 1300 реле и заменяла 25–40 девушек, вычислявших с помощью настольных счетных машин баллистические таблицы. «Модель–4» отличалась от своей предшественницы тем, что могла вычислять еще и значения тригонометрических функций.
Успех малых релейных машин привел к созданию в 1944–1946 годах универсальной вычислительной машины «Модель–5». Машина содержала около 9 тыс. реле и имела в своем составе все блоки, предусмотренные «классической» (бэббиджевской) структурой.
Сравнительно недавно обнаружился еще один американский «папа» вычислительных машин – Джон Винсент Атанасов, профессор физики и математики университета штата
Айова. Он независимо от Цузе вместе со своим студентом Клиффордом Берри в 1937–1939 годах построил прототип электронного цифрового компьютера ABC (Atanasoff Berry Computer). К 1942 году были созданы еще две ЭВМ, по образу и подобию которых ученый намеревался разработать более мощную машину.
Однако этому помешала война: профессора призвали в армию, и работа была прервана на этапе отладки устройств ввода–вывода информации. А когда он вернулся, то узнал, что его опередили. Раздосадованный, он охладел к своей работе настолько, что даже не поинтересовался, каков же из себя аппарат Моучли и Эккерта, названный ими ЭНИАКом (речь о нем у нас еще впереди). А тот, между прочим, был весьма похож на его собственный. В свое время Джон Моучли встречался с Атанасовым и позаимствовал у ABC ряд технических идей, которые и были использованы при создании «первого компьютера». Однако упоминать об этом он не счел нужным.
Ответ на вопрос «Кто был первым?» был дан лишь в 1973 году. В ходе специального разбирательства суд юридически закрепил за ABC право называться «первым автоматическим цифровым компьютером».
При этом заодно выяснилось, еще в 40–х годах его создатель безуспешно пытался заинтересовать своими идеями ведущие фирмы по производству механических счетных машин. Однако всюду получал отказы. Интересно, что среди отказавших числится и руководство компании «ИБМ» – ныне одного из ведущих производителей компьютерной техники в мире...
Дело в том, что к тому времени руководство «ИВМ» окончательно склонилось к разработке альтернативного проекта – универсальной релейной цифровой машины, – который предложил Хоуард Эйкен, ничего не знавший о работах Атанасова. И в августе 1944 года электромеханический монстр Harvard Marc 1 («Гавард Марк–1»), состоявший из трех миллионов узлов и 500 миль проводов и обошедшийся примерно в миллион долларов, заступил на трудовую вахту в Гарвардском университете, где проработал более 15 лет.
Кстати, первые программы для машины Эйкена написала достойная продолжательница дела Ады Лавлейс – математик Грейс Марри Хоппер. Она – личность во многих отношениях легендарная: разработчик популярных машинных языков, президент нескольких ведущих компьютерных компаний и... контр–адмирал американских ВМС! Говорят даже, что героиня знаменитого научно–фантастического цикла Айзека Азимова о роботах – робо–психолог Сьюзен Кельвин – «списана» с Грейс Хоппер.
Работали над созданием подобных машин и в нашей стране. Одной из наиболее совершенных чисто релейных вычислительных машин была «РВМ–1», сконструированная и построенная под руководством советского инженера Н. И. Бессонова в середине 50–х годов XX века. Она работала в двоичной системе и отличалась неплохим для того времени быстродействием. Благодаря применению каскадного принципа выполнения арифметических операций, изобретенного самим же Бессоновым, она выполняла до 1250 умножений в минуту, то есть свыше 20 в секунду.
Машина содержала 5500 реле. Целый ряд технических усовершенствований настолько улучшил ее надежность и эксплуатационные качества, что она работала до 1965 года, конкурируя с первыми электронными вычислительными машинами.