Глава 1 _2015

Глава 1. Доэлектронная история вычислительной техники

Современная история вычислительных машин (теперь принято говорить — компьютеров) насчитывает чуть больше пятидесяти лет, однако у этой истории есть предыстория длиной в несколько веков. Никакие великие изобретения не рождаются на пустом месте, у них всегда есть предшественники и прародители. Знание истории науки и техники необходимо не только для общей культуры. Известно, что прогресс идет по спирали и все новое — хорошо забытое старое. В будущих поколениях компьютеров непременно реализуются (разумеется, на новой научно - технической базе) идеи, не нашедшие достойного воплощения десятки лет назад.

Наш обзор доэлектронной истории вычислительной техники будет очень кратким и лишенным очень многих интересных и живописных деталей. Интересующихся этим вопросом более глубоко мы отсылаем к прекрасным руководствам (См. «Литературные ссылки и методические замечания»). При этом мы осветим лишь принципиальные, узловые события истории, цепь которых даст возможность понять, что создание современного компьютера — не чудо сверхъестественных сил, а закономерный результат технического творчества поколений ученых и конструкторов.

22

1.1. Общий исторический фон

Могла ли быть ЭВМ построена в прошлом или позапрошлом веке? Конечно нет, потому что тогда не было соответствующей элементной базы: радиолампы и транзисторы изобретены значительно позже. Всякое устройство, в том числе вычислительное, существует не само по себе, а в определенном окружении, технологическом контексте, на фоне общего уровня техники своего времени.

На рисунке изображены основные события истории вычислительной техники, о которых мы будем говорить позже, на временной оси в контексте общего уровня техники.

В истории вычиислительной техники можно выделить четыре эпохи.

Домеханическая эпоха — с древнейших времен до середины XVII века. Элементную базу вычислительных устройств тех лет составляли подручные предметы — камешки, палочки и т. п. Вели- чайшие достижения домеханической эпохи — счеты и логарифми- ческая линейка.

	1642	1673		1820-1834
	Первая вычисли-
		Арифмометр		Проекты разностной и аналитической машин
	тельная машина
		(Лейбниц)		(Бэббидж)
	(Паскаль)
	Механическая эпоха			Эл-механич. эпоха	Электронная эпоха
	1600 ã.	1700 ã.	1800 ã.	1900 ã.	2000 ã.
				1941	1944
		1887		Первая работающая
					Машина
		Табулятор		программно-управляеìàÿ
					MARK-I
		(Холлерит)		машина
					(Айкен)
				(Öóçå)

Основные события доэлектронной истории вычислительной

техники

23

Механическая эпоха. XVII и XVIII века — время расцвета точ- ных механических устройств. Часы, механические игрушки, приборы тех лет до сих пор поражают воображение. Именно в это золотое для механики время были созданы первые конструкции вычислительных машин — суммирующая машина Паскаля и арифмометр Лейбница. Вершина механической эпохи — аналитическая машина Бэббиджа, по смелости инженерных решений на столетие опередившая свое время. Однако, несмотря на все свое совершенство, машина Бэббиджа проектировалась как чисто механическая, приводимая в движение небольшим паровым двигателем.

Электромеханическая эпоха. Только в первой трети XIX века были построены электрические машины и наступил век электриче- ства. Наряду с техникой сильных токов, пришедшей на замену паровым машинам, стала развиваться слаботочная. В 1831 г. Д.Генри в США и Сальваторе дель Негро в Италии изобрели электромагнитное реле. Сначала электромеханические элементы были очень ненадежными и неподходящими для построения сложных приборов, но уже в конце XIX века появилась техническая возможность превратить чисто механические вычислительные устройства в электромеханические, в которых передача сигналов осуществлялась не рейками и шестеренками, а импульсами тока. Начало электромеханической эпохи отмечено изобретением табулятора Холлерита, а конец — релейными вычислительными машинами типа MARK.

Электронная эпоха. Царство электромеханики в технике была недолгим — меньше столетия. В начале XX века были изобретены первые электронные приборы — радиолампы. Вакуумный диод предложен Флеммингом (Великобритания, 1904 г.), триод — Ли де Форрестом (США, 1906 г.). К середине 30-х гг. электронные лампы стали применяться во всех радиотехнических устройствах, однако их использование в вычислительной технике стало возможным лишь после изобретения триггера — радиосхемы с двумя устойчивыми состояниями, которая пришла на смену электромагнитному реле. Триггер был создан независимо друг от друга М.А.Бонч-Бруевичем (СССР, 1918 г.) а также У.Экклзом и Ф.Джорданом (Великобрита-

24

ния, 1919 г.). На его основе в 20-х и 30-х годах были построены основные составляющие вычислительной техники — регистры, счетчики, логические схемы. Таким образом, к 40-м годам была создана элементная база электронной вычислительной техники, и вскоре, в 1945 году, была создана первая ЭВМ

Радиолампы тысячекратно ускорили работу вычислительных устройств, но очень скоро стали ощущаться их принципиальные недостатки: низкая надежность, громоздкость и большое потребление энергии. Ламповые компьютеры 50-х годов насчитывали десятки тысяч логических элементов, и это был естественный предел их сложности, так как более громоздкие конструкции просто невозможно заставить работать. Но вот на смену радиолампам в конце 50-х годов пришли транзисторы, которые со временем становились все меньше и меньше. Наступила пора микроэлектроники, когда были практически сняты ограничения на сложность электронных устройств: современные микросхемы насчитывают миллионы дискретных элементов. Технологический прорыв 70-х годов оказался столь существенным, что его назвали микропроцессорной революцией. Эта революция продолжается и по сей день, число транзисторов в одной микросхеме продолжает удваиваться каждые полтора-два года (так называемый закон Мура), как долго так будет — пока неизвестно.

Вместе с тем микропроцессорная революция не означает смену технологической эпохи. Микросхемы, как бы не росла их сложность, состоят из тех же самых базовых активных элементов — электронных транзисторов. А транзистор — он и есть транзистор, даже если размеры его измеряются долями микрона. Новая, постэлектронная эпоха наступит тогда, когда на смену транзисторам придут принципиально новые активные элементы. Прогнозы на этот счет самые разнообразные. Большинство ученых склоняется к тому, что элементная база будущих компьютеров будет оптической, более радикальные говорят о биологических элементах, но пока все это — лишь футуристические рассуждения. Жизнь показывает, что долгосрочное прогнозирование научно-технического прогресса — вещь ненадежная.

Древнеримский абак

25

Таков в общих чертах технико-исторический фон, на котором происходило и происходит создание вычислительной техники. Теперь обратимся к конкретным фактам.

2.2.Простейшие цифровые вычислительные устройства — абак и счеты

Самыми важными арифметическими операциями с точки зрения образованного человека древнего мира — купца или сборщика налогов,— были сложение и вычитание. Трудно представить себе, как с ними могли бы справиться, скажем, римляне, пользуясь только принятой у них непозиционной системой счисления. Попробуйте, например, решить такую простенькую задачку с римскими цифрами:

MCMXCVI + CCLXIV = ?

К счастью, уже древние римляне располагали простейшим приспособлением для ускорения счета, основанным на позиционной системе счисления, который назывался абак. Абак представляет собой дощечку, разделенную вертикальными перегородками на несколько отделений, соответствующим отдельным разрядам числа в позиционной системе счисления. В отделениях помещались камешки (по латыни «камешек» —

«calculus», отсюда происхождение слов «калькуляция», «калькулятор»). Число их в отделении равно значе- нию разряда и может меняться (в десятичной

26

системе счисления) от 0 до 9. Сложение чисел производится путем поразрядного добавления камешков, при переполнении отделения оно очищается и делается перенос единицы в следующий разряд. Вот и все — просто и быстро. Единственное неудобство — камешки легко рассыпаются и могут потеряться при переноске.

Арабские купцы разнесли абак по всему
миру. Практичные китайцы нанизали камеш-
ки на спицы, вставили их в деревянную раму
и повернули все на 90 градусов. В таком виде
абак в XVI веке попал в Россию и стал назы-
ваться русскими счетами. Прошло более 400
лет, а счеты на Руси и ныне в ходу. Некото-
рые продавцы и официанты любят их боль-
ше, чем электронные калькуляторы, может
быть, потому, что со счетами легче «ошибить-
ся» в стоимости покупки (в свою, разумеет-	Русские счеты
ся, пользу).

1.3.Логарифмическая линейка

èее потомки — аналоговые вычислительные машины

Если спросить молодого человека, живущего в конце XX века, что он думает о науке и технике XVII века, он, скорее всего, высокомерно выскажется о «первобытном и примитивном» уровне развития. И будет абсолютно неправ, так как XVII век — одна из высочайших вершин человеческого гения. Шекспир и Бах, Ньютон и Паскаль, Лейбниц и Декарт — все это XVII век. В этом веке были сделаны великие географические открытия, заложены основы современной физики и математики, сооружены грандиозные здания вроде собора св. Павла в Лондоне, изобретены телескоп, микроскоп, термометр, барометр, придуманы логарифмы и построены

							27
Логарифмическая линейка
первые механические вычислительные машины.
В этом параграфе мы поговорим о логарифмической линейке,
которая появилась в первой трети XVII века, вскоре после того, как
в 1614 году шотландский барон Джон Непер (Nepier, John; 1550-
1617) опубликовал свою первую книгу «Magnifici logarithmorum
cannonis discriptio». Я надеюсь, читатель еще представляет себе ло-
гарифмическую линейку, которая более трех			веков верой и прав-
дой служила бесчисленным поколениям ученых и инженеров,
студентов и школьников. Даже когда появились электронные каль-
куляторы, многие инженеры предпочитали пользоваться испытан-
ным и надежным помощником — линейкой. Рассказывают, что автор
проекта останкинской телебашни инженер Н.В.Никитин (кстати,
выпускник Томского политехнического института) все расчеты сде-
лал на логарифмической линейке. Когда об этом узнали руководя-
щие товарищи (дело было в 1960-е годы), они всполошились, работу
остановили, и заставили пере-
проверить вычисления на ком-				b
пьютерах. Но все оказалось в
порядке,— и башня, как видим,		1		2	3	4	5 6
стоит до сих пор.
Принцип действия лога-	1	2	3	4	5 6
рифмической линейки основан
на основном правиле логариф-		a
ìîâ:		a • b
log(a•b) = log(a) + log(b),		Принцип действия
что позволяет заменить опера-		логарифмической линейки
		a=2, b=3, a•b=6

28

цию умножения сложением, а операцию деления — вычитанием. Само же сложение (вычитание) производится путем простого премещения двух реек с нанесенными на них одинаковыми логарифмическими шкалами

Нас, однако, будут интересовать сейчас не конкретные приемы работы с логарифмической линейкой, а более общий вопрос о взаимоотношении дискретного и непрервного в вычислительной технике.

На абаке или счетах число представляется в цифровой, т.е. в символической,"знаковой форме, и это представление совершенно точное. Если 375 так 375, не больше и не меньше. Каждый разряд числа изображается целым числом камешков, нельзя положить 3 с половиной или 5 и 6 десятых камня. Даже если число не целое, то точно представляется соответствующая ему десятичная дробь с фиксированным числом знаков после запятой. Поэтому абак является простейшим примером цифровой или, более точно, дискретной вычислительной машины (так как представляться могут не только числа, но и другие дискретные объекты).

В противоположность абаку, на логарифмической линейке представляется не цифровая запись числа, а некоторый его физический аналог. Первому сомножителю соответствует перемещение движка относительно неподвижной шкалы, второму — перемещение визира бегунка относительно шкалы движка, результату — перемещение бегунка относительно неподвижной шкалы. Аналоги являются непрерывными физическими величинами, поэтому представление всегда не точное, а приближенное, так как невозможно точно выставить движок на цифру, скажем, 2 — будет или меньше или больше.— да и сами шкалы имеют некоторую погрешность. Таким образом, логарифмическая линейка является простейшим примером аналоговой вычислительной машины.

Цифровые (дискретные) и аналоговые вычисления — это две постоянно сосуществующие и конкурирующие ветви математики. Математика древнего мира была в подавляющей степени связана с аналоговыми (геометрическими) построениями. Строго говоря, циркуль и линейка — это тоже древнейшая аналоговая вычислитель-

Большая аналоговая вычислительная машина (1960-å ãîäû).

29

ная машина.

С изобретением символических алгоритмов арифметики роль аналоговых вычислений стала ослабевать, так как цифровые методы способны обеспечить более высокую точность вычислений. Обычная логарифмическая линейка, например, дает результат с точностью до 1 — 0.1 % (2—3 знаков после запятой), причем ошибка быстро накапливается с увеличением сложности

вычислений. Для астрономии или географии, например, такая точ- ность совершенно недостаточна, поэтому, начиная с XVII века, конструкторская мысль была направлена в основном на создание и развитие цифровых вычислительных машин, и что из этого полу- чилось — мы увидим дальше.

Однако не всегда и не везде нужна астрономическая точность, поэтому, параллельно с цифровой, развивалась и аналоговая вы- числительная техника. В XIX и XX веках для аналоговых вычислений использовались самые различные физические процесссы: механические1, гидравлические, после изобретения радиоламп и транзисторов — электронные. Еще в 1960-х годах популярность ана-

1В 1930 г. профессор Массачусетского технологического института (МТИ) Ванневар Буш (Boosh, Vannevar; 1890-1974) построил «дифференциальный анализатор»

— большую механическую аналоговую машину, способную решать сложные дифференциальные уравнения. Он представлял собой сложнейшую систему реек, шестеренок, валиков размером с целую комнату. Обязанности оператора на этой машине выполнял молодой аспирант Клод Шеннон (Shannon, Claude; р. 1916 ) — будущий автор теории информации. С тех пор МТИ стал крупнейшим центром исследований в области вычислительной техники и информатики.

30

логовых электронных вычислительных машин была сравнима с цифровыми, их изучение было обязательным на всех технических факультетах. Это объяснялось многими факторами:

•аналоговые машины в то время были намного проще, меньше по размерам и дешевле цифровых;

•на аналоговых машинах очень лекго выполнялись трудоемкие операции дифференцирования и интегрирования функций, решения дифференциальных уравнений высоких порядков;

•результат вычислений получался немедленно после ввода исходных данных, причем этот результат получался сразу в виде физической величины и мог быть непосредственно использован для отображения на экране осциллографа (графических дисплеев не было еще и в помине).

Âсилу указанных причин аналоговые вычислительные машины широко использовались в системах управления самолетами, ракетами, производственными процессами.

Однако после изобретения микропроцессоров (1970-е годы), когда цифровые ЭВМ резко уменьшились в габаритах и подешевели, аналоговые ЭВМ сильно сдали в конкурентной борьбе с ними. Стало проще перевести аналоговый сигнал в цифровую форму, выполнить требуемые вычисления, а на выходе обратно преобразовать результат в физическую величину. По такому пути пошли звукозапись, и телевидение — об этом мы также поговорим позже.

Значит ли это, что аналоговые вычисления вытеснены навсегда? Я глубоко убежден, что нет, и в этом одно из проявлений цикличности технического прогресса. Дело в том, что некоторые объекты, например, графические образы, являются исключительно трудными для символьной обработки. Даже самые мощные цифровые процессоры, вооруженные наисовременнейшими алгоритмами, пасуют перед распознаванием рукописного текста, а малограмотный человек легко решает эту задачу. Почему? Установлено, что в человеческом мозгу одно полушарие (левое) подобно цифровой вычислительной машине оперирует со знаками и абстрактными