История вычислительной техники

Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были, вероятно, всем известные счётные палочки, которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счёту. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов. Такими приспособлениями, похоже, пользовались торговцы и счетоводы того времени.

Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: абак (счёты), логарифмическая линейка, арифмометр, компьютер. Несмотря на простоту ранних вычислительных устройств, опытный счетовод может получить результат при помощи простых счётов даже быстрее, чем нерасторопный владелец современного калькулятора. Естественно, производительность и скорость счёта современных вычислительных устройств уже давно превосходят возможности самого выдающегося расчётчика-человека.

Необычные вычислители

Палочки Непера

Для умножения были предложены палочки Непера.

Изобретены шотландским математиком Джоном Непером (первым автором, предложившим логарифмы) и описаны им в трактате 1617 года.

Прибор Непера мог непосредственно прилагаться только к исполнению действия умножения. С гораздо меньшими удобствами производится при помощи этого прибора действие деления. Успех этого прибора, хотя едва ли вполне заслуженный, был так значителен, что в честь как самого прибора, так и его изобретателя писались даже хвалебные стихи.

Логарифмические линейки, таблицы и рисунки (номограммы)

Потребность в сложных расчётах в XVI веке быстро росла. Значительная часть трудностей была связана с умножением и делением многозначных чисел.

Это привело к появлению на протяжении кратчайшего времени (1614–1623 гг.) сразу четырех новых типов вычислителей:

• логарифмических таблиц,
• логарифмических линеек,
• механических арифмометров (скорее переоткрыты, ибо существовали в античности),
• палочек Непера, встреченных с восторгом, но вскоре полностью заброшенных.

Позже, уже в XIX веке, на базе логарифмов и логарифмических линеек возник и их графический аналог –

• номограммы, которые стали использоваться для вычисления самых разных функций.

Логарифмы и логарифмические таблицы

Определение логарифмов и таблицу их значений (для тригонометрических функций) впервые опубликовал в 1614 году шотландский математик Джон Непер.

Неперу пришла в голову идея: заменить трудоёмкое умножение на простое сложение, сопоставив с помощью специальных таблиц геометрическую и арифметическую прогрессии, при этом геометрическая будет исходной. Тогда и деление автоматически заменяется на неизмеримо более простое и надежное вычитание.

Логарифмические таблицы, расширенные и уточненные другими математиками, повсеместно использовались для научных и инженерных расчётов более трех веков, пока не появились электронные калькуляторы и компьютеры.

Логарифмические линейки

Если нанести логарифмическую шкалу на линейку – получится механический вычислитель, логарифмическая линейка.

Идею, близкую к конструкции логарифмической линейки, высказал в начале XVII века английский астроном Эдмунд Гюнтер; он предложил нанести на линейку логарифмическую шкалу и с помощью двух циркулей выполнять операции с логарифмами (сложение и вычитание). В 1620-е годы английский математик Эдмунд Уингейт усовершенствовал «шкалу Гюнтера», введя две дополнительные шкалы. Одновременно (1622 год) свой вариант линейки, мало чем отличающийся от современного, опубликовал в трактате «Круги пропорций» Уильям Отред, который и считается автором первой логарифмической линейки. Сначала линейка Отреда была круговой, но в 1633 году было опубликовано, со ссылкой на Отреда, и описание прямоугольной линейки. Приоритет Отреда долгое время оспаривал Ричард Деламейн, который, вероятно, независимо реализовал ту же идею.

Дальнейшие усовершенствования сводились к появлению второй подвижной линейки-«движка» (Роберт Биссакер, 1654, и Сет Патридж, 1657), разметке обеих сторон линейки (тоже Биссакер), добавление двух «шкал Уингейта», отметке на шкалах часто используемых чисел (Томас Эверард, 1683). Бегунок появился в середине XIX века (А. Мангейм).

Логарифмические линейки использовались несколькими поколениями инженеров и других профессионалов, вплоть до появления карманных калькуляторов. Инженеры программы «Аполлон» отправили человека на Луну, выполнив на логарифмических линейках все вычисления, многие из которых требовали точности в 3–4 знака.

Номограммы

Любой график функции можно использовать как простейший вычислитель. Для использования его нужна шкала, линейка (или частая координатная сетка), иногда – циркуль. Ещ реже – другие вспомогательные устройства. Результаты считываются визуально и записываются на бумагу. Для умножения и деления достаточно нанести на бумагу логарифмическую шкалу рядом с обычной и использовать циркуль – получится вычислитель.

В принципе, логарифмическая линейка тоже позволяет ввести и рассчитывать самые разные функции. Но для этого нужно усложнять механику: добавлять дополнительные линейки и т. д. Главная же сложность – их нужно изготовлять, а механика в каждом случае может потребоваться разная. Поэтому разнообразие механических линеек довольно ограничено. Этого основного недостатка лишены номограммы – графики функции от нескольких переменных со шкалами, позволяющие определять значения этих функций с помощью простых геометрических операций (например, прикладывания линейки). Например, решать квадратное уравнение без применения формул.

Первые арифмометры

В 1623 году Вильгельм Шиккард придумал «Считающие часы» – первый арифмометр, умевший выполнять четыре арифметических действия. Считающими часами устройство было названо потому, что, как и в настоящих часах, работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок.

За этим последовали машины Блеза Паскаля («Паскалина», 1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница – арифмометр Лейбница.

В 1820 году Шарль Ксавье Тома де Кольмар создал первое, серийно выпускавшееся механическое счётное устройство – арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном он был основан на работе Лейбница.

В 1845 году Израиль Штаффель представил счётную машину, которая кроме четырех арифметических действий могла извлекать квадратные корни. Арифмометры, считающие десятичные числа, использовались до 1970-х.

В 1804 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования.

В 1832 году Семен Корсаков применил перфорированные карты в конструкции разработанных им «интеллектуальных машин», механических устройств для информационного поиска, являющихся прообразами современных баз данных и, в какой-то степени, – экспертных систем.

В 1838 году Чарльз Бэббидж перешел от разработки Разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара.

В 1890 году Бюро Переписи США использовало перфокарты и механизмы сортировки (табуляторы), разработанные Германом Холлеритом, чтобы обработать поток данных десятилетней переписи, переданный под мандат в соответствии с Конституцией. Компания Холлерита в конечном счёте стала ядром IBM. Эта корпорация развила технологию перфокарт в мощный инструмент для обработки деловых данных и выпустила обширную линию специализированного оборудования для их записи. К 1950 году технология IBM стала вездесущей в промышленности и правительстве. Предупреждение, напечатанное на большинстве карт, «не сворачивать, не скручивать и не рвать», стало девизом послевоенной эры.

Во многих компьютерных решениях перфокарты использовались до (и после) конца 1970-х.

1835–1900-е: первые программируемые машины

Определяющая особенность «универсального компьютера» – это программируемость, что позволяет компьютеру эмулировать любую другую вычисляющую систему всего лишь заменой сохранённой последовательности инструкций.

В 1835 году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину. Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также парового двигателя в качестве источника энергии. Одной из ключевых идей было использование шестерен для выполнения математических функций.

Его первоначальной идеей было использование перфокарт для машины, вычисляющей и печатающей логарифмические таблицы с большой точностью (то есть для специализированной машины). В дальнейшем эти идеи были развиты до машины общего назначения – его «аналитической машины».

Конец XIX века – 1960-е: использование электродвигателей

К 1900 году арифмометры, кассовые аппараты и счётные машины были перепроектированы с использованием электрических двигателей с представлением положения переменной как позиции шестерни. С 1930-х настольные арифмометры, которые могли складывать, вычитать, умножать и делить, начали выпускать такие компании как Friden, Marchant и Monro. Словом «computer» (буквально – «вычислитель») называлась должность – это были люди, которые использовали калькуляторы для выполнения математических вычислений. В ходе Манхэттенского проекта будущий Нобелевский лауреат Ричард Фейнман был управляющим целой команды «вычислителей», многие из которых были женщинами-математиками, обрабатывавшими дифференциальные уравнения, которые решались для военных нужд. Даже знаменитый Станислав Мартин Улам уже после окончания войны был принуждён к работе по переводу математических выражений в разрешимые приближения – для проекта водородной бомбы.

В 1948 году появился Curta – небольшой арифмометр, который можно было держать в одной руке. В 1950-х – 1960-х годах на западном рынке появилось несколько марок подобных устройств.

1961: электронные калькуляторы

Первым полностью электронным настольным калькулятором был британский ANITA Mark VII^[en], который использовал дисплей на газоразрядных цифровых индикаторах и 177 миниатюрных тиратронов. В июне 1963 года Friden представил EC-130 с четырьмя функциями. Он был полностью на транзисторах, имел 13-цифровое разрешение на 5-дюймовой электронно-лучевой трубке и представлялся фирмой на рынке калькуляторов по цене 2200 $. В модель EC 132 были добавлены функция вычисления квадратного корня и обратные функции. В 1965 году Wang Laboratories произвел LOCI-2, настольный калькулятор на транзисторах с 10-ю цифрами, который использовал дисплей на газоразрядных цифровых индикаторах и мог вычислять логарифмы.

В Советском Союзе в довоенное время самым известным и распространенным арифмометром был арифмометр «Феликс», выпускавшийся с 1929 по 1978 гг. на заводах в Курске (завод «Счетмаш»), Пензе и Москве. Электронно-механические вычислительные машины массово выпускались и широко применялись с середины 1950-х гг., а в 1959 г. был налажен выпуск полностью электронных вычислительных машин (ВМ).

Появление аналоговых вычислителей в предвоенные годы

Перед Второй мировой войной механические и электрические аналоговые компьютеры считались наиболее современными машинами, и многие считали, что это – будущее вычислительной техники. Аналоговые компьютеры использовали преимущества того, что математические свойства явлений малого масштаба – положения колёс или электрическое напряжение и ток – подобны математике других физических явлений, например, таких как баллистические траектории, инерция, резонанс, перенос энергии, момент инерции и т. п. Они моделировали эти и другие физические явления значениями электрического напряжения и тока.