Файл: История развития средств вычислительной техники ( Домеханический период).pdf

В 1896 г. Г. Холлерит создал компанию «Tabulating Machine Company» (TMC). К этому времени счетные машины были значительно усовершенствованы: автоматизированы процедуры подачи и сортировки перфокарт. В 1900 г. госдепартамент США вновь утвердил систему TMC в качестве базовой для следующей переписи населения. Хотя за свой патент Холлерит и запросил неслыханную сумму в 1 миллион долларов, все эти деньги он предполагал использовать для развития производства.

Но некоторые чиновники обвинили Г. Холлерита в стяжательстве, ставящем под угрозу государственные интересы Америки. Было принято решение строить новую государственную систему переписи населения с использованием технологий TMC, однако в обход патентов Г. Холлерита. Патенты на «новые» машины были зарегистрированы на имя некоего инженера Джеймса Пауерса – одного из сотрудников Национального бюро по переписи населения и бывшего коллегу Г. Холлерита. Сразу после завершения очередной переписи в 1911 г. Д. Пауерс создал собственную компанию Powers Tabulating Machine Company (PTMC) – прямого конкурента TMC. Новое предприятие вскоре разорилось, но и TMC не сумела оправиться после потери государственного заказа.

В 1911 г. бизнесмен Чарльз Флинт создал компанию Computer Tabulating Recording Company (CTRC), в которую составной частью вошла и компания Г. Холлерита. Бывшего директора TMC перевели на должность технического консультанта.

К 1919 г. оборот фирмы удвоился и достиг 2 миллионов долларов.

Поскольку машины от CTRC успешно продавались не только в США, но и в Европе, Южной Америке, Азии и Австралии, в 1924 г. CTRC была переименована в International Business Machines Corp (IBM), именно под этим названием известен родоначальник эры персональных компьютеров.

3.2. Клод Шенон.

В 1936 г. Клод Шеннон, двадцатилетний выпускник американского университета, соединил математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями.

Желая подработать, К. Шеннон выполнял обязанности оператора на механическом вычислительном устройстве под названием «дифференциальный анализатор», который построил в 1930 г. научный руководитель К. Шеннона профессор Ванневер Буш.

Это была первая машина, способная решать сложные дифференциальные уравнения, которые позволяли предсказывать поведение таких движущихся объектов, как самолет, или действие силовых полей, например гравитационного поля.

На решение подобных уравнений вручную уходили иногда целые месяцы, так что дифференциальный анализатор имел важное научное значение. Однако он обладал следующими серьезными недостатками:

– гигантские размеры. Подобно аналитической машине Ч. Бэббиджа, механический анализатор В. Буша представлял собой сложную систему валиков, шестеренок и проволок, соединенных в серию больших блоков, которые занимали целую комнату. Большие габариты устройства объяснялись тем, что расчеты проводились в десятичной системе счисления;

– дифференциальный анализатор был аналоговым устройством, которое само измеряло скорость и расстояние, а затем на основе измеренных величин проводило расчеты. Чтобы поставить машине задачу, оператор должен был вручную подбирать множество шестереночных передач, на что уходило 2–3 дня.

В качестве темы диссертации В. Буш предложил К. Шеннону изучить логическую организацию своей машины. Вспомнив булеву алгебру, которую он изучал еще студентом, К. Шеннон поразился ее сходством с принципами работы электрических схем. Если построить электрические цепи в соответствии с принципами булевой алгебры, то они могли бы выражать логические отношения, определять истинность утверждений, а также выполнять сложные вычисления. Свои идеи относительно связи между двоичными числами, булевой алгеброй и электрическими схемами К. Шеннон развил в докторской диссертации, опубликованной в 1938 г. Эта работа по праву считается поворотным пунктом в истории развития современной информатики и вычислительной техники. Десятилетием позже К. Шеннон опубликовал еще одну важную работу – «Математическую теорию связи». В ней он изложил идеи, которые впоследствии легли в основу новой отрасли науки – теории информации. К. Шеннон предложил метод, позволяющий определять и измерять информацию в математическом смысле, путем сведения ее к выбору между двумя значениями: «да» и «нет», или двоичными разрядами. Эта идея составляет фундамент современной теории связи.

Шеннона ввел определение бита – наименьшей единицы информации в двоичном коде, который применяется в современных компьютерах (bit – сокращение от biпаrу digit, что означает «двоичный разряд»).

3.2. «Изобретатель компьютера» К. Цузе

Немецкий инженер Конрад Цузе в 30-х годах занимался проектированием самолетов в компании Henschel Aircraft.

Ему приходилось выполнять вычисления для определения оптимальной конструкции крыльев. В то время существовали только механические калькуляторы с десятичной системой счисления. К. Цузе заинтересовала проблема автоматизации всего процесса вычислений, так как он вынужден был выполнять множество однообразных рутинных расчетов по заданной схеме.

В 1934 г. К. Цузе придумал модель автоматического калькулятора, которая состояла из устройства управления, вычислительного устройства и памяти и полностью совпадала с архитектурой сегодняшних компьютеров.

В те годы К. Цузе пришел к выводу, что будущие компьютеры будут основаны на следующих шести принципах:

1) двоичная система счисления;

2) использование устройств, работающих по принципу «да/нет» (логические единица и нуль);

3) полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;

4) программное управление процессом вычислений;

5) поддержка арифметики с плавающей запятой;

6) использование памяти большой емкости.

Он первым в мире:

- показал, что обработка данных начинается с бита (бит он называл да/нет-статусом, а формулы двоичной алгебры – условными суждениями);

- ввел термин «машинное слово» (word);

- объединил в вычислителе арифметические и логические операции, отметив, что «элементарная операция компьютера – проверка двух двоичных чисел на равенство. Результатом будет тоже двоичное число с двумя значениями (равно, не равно)».

При этом К. Цузе не имел никакого представления не только об аналогичных исследованиях коллег в США и Англии, но даже о механическом вычислителе Ч. Бэббиджа, созданном в XIX веке.

Однако много лет спустя он писал, что в этом состояло его преимущество – в силу своей неосведомленности он был свободен в поисках системы, наиболее подходящей для автоматических вычислений. Поэкспериментировав сначала с десятичной системой счисления, К. Цузе предпочел все же двоичную. Не зная о работах Дж. Буля и о машине Ч. Бэббиджа, он тем не менее использовал в созданной им вычислительной машине принципы булевой алгебры.

В 1936 г. К. Цузе запатентовал идею механической памяти.

В 1937 г. К. Цузе создал работающую память для хранения 12 двоичных чисел по 24 бита и занялся созданием первой версии своего вычислителя, которую он сначала назвал Versuchsmodell-1 (V-1). Эта аббревиатура совпала с названием немецких ракет V-1, и тогда он переименовал свое творение в Z-1. Машина была построена на чисто механической (рычажной) основе.

Благодаря использованию двоичной системы счисления машина занимала площадь около 4 м² и представляла собой множество реле и проводов, имела клавиатуру, с которой вводились в нее условия задач и данные.

Арифметический модуль мог работать с числами с плавающей запятой (фактически они состояли из двух чисел: одно представляло собой 16-разрядную мантиссу, другое – 7-разрядную экспоненту), осуществлял преобразования двоичных чисел в десятичные и обратно и поддерживал ввод и вывод данных. Память (тоже на механических элементах) содержала 64 слова (вместо тысячи у Бэббиджа, что тоже уменьшило размеры машины).

Машина Z-1 была закончена в 1938 г. и работала неустойчиво из-за ненадежной механической памяти.

Трудами К. Цузе заинтересовалось руководство Института аэродинамических исследований третьего рейха. Они взялись финансировать работы над следующей моделью вычислителя Z-2.

В Z-2 механическое арифметическое устройство было заменено арифметическим устройством на электромагнитных телефонных реле. В этом К. Цузе помог его друг, австрийский инженер Г. Шрайер, специалист в области электроники.

Г. Шрейер раньше работал киномехаником, поэтому он предложил сделать устройство ввода программы с помощью перфорированной киноленты. Результаты расчетов демонстрировались с помощью электрических ламп. Релейный Z-2 был построен и успешно заработал в апреле 1939 г.

В 1941 г. К. Цузе приступил к проектированию более мощной модели – Z-3. Ввод программы, представлявшей собой последовательность довольно мощных логических команд, по-прежнему происходил с перфорированной киноленты. Память Z-3 позволяла хранить 64 слова (14 бит на мантиссу, 7 бит на экспоненту и 1 бит на знак) и состояла из 1400 реле. Для арифметического устройства потребовалось 600 реле, и еще 400 реле применялось в устройстве управления.

Z-3 выполнял не только четыре арифметические операции, но и вычисление квадратного корня, умножение на –1; 0,1; 0,5; 2 и 10. Z-3 выполнял 3–4 операции сложения в секунду и умножал два числа за 4–5 секунды.

Одновременно К. Цузе занимался проектированием механических устройств дистанционного управления бомбами для повышения точности попадания в цель. Для создания модели требовалось провести очень большие вычисления, и он сначала сделал специализированный компьютер, выполнявший фиксированную последовательность операций. Затем он решил также автоматизировать работу оператора, занимавшегося вводом данных, и первым в мире сделал то, что сегодня называется аналогово-цифровым преобразователем.

Из-за небольшого объема памяти на Z-3 нельзя было решать, например, системы линейных уравнений, а институту это требовалось. К. Цузе понимал все минусы своей машины и хотел создать полноценный компьютер, которому, по оценкам самого К. Цузе, требовалась емкость памяти как минимум 8 тысяч слов.

В 1942 г. он и Г. Шрайер предложили создать компьютер принципиально нового типа. Они решили перевести машину Z-3
с электромеханических переключателей на вакуумные электронные лампы. В отличие от электромеханических переключателей электронные лампы не имеют движущихся частей; они управляются электрическим током исключительно электрическим способом. Машина, задуманная К. Цузе
и Г. Шрайером, должна была работать в тысячу раз быстрее, чем любая из машин, имевшихся в то время в Германии. Но предложение инженеров отклонили. Война еще только начиналась, и Гитлер, уверенный в быстрой победе, наложил запрет на все долговременные научные разработки. Говоря о потенциальных сферах применения своего быстродействующего компьютера, Цузе и Шрайер отмечали возможность его использования для расшифровки закодированных сообщений, передаваемых британским командованием по рациям. Тогда еще никто не знал, что англичане уже разрабатывали машину для той же цели.

К. Цузе потерял все свои машины, за исключением Z-4, во время бомбежек Берлина. Чтобы не попасть в плен в последние дни войны, он присоединился к группе ученых, разрабатывавших ракеты в Германии. Они пытались скрыться в отрогах Альп в Баварии. В одном из грузовиков находилась машина Z-4. Американцы, захватившие эту группу в плен, сразу же предложили работу одному из ее членов, конструктору ракет Вернеру фон Брауну (создателю ракет Фау-2). На К. Цузе, успевшего спрятать свою машину в подвале крестьянского дома, американцы не обратили особого внимания.

В 1949 г. К. Цузе начал работать над коммерческими «потомками» машины Z-4. Ему помогал математик Герр Лохмейер. К. Цузе попытался автоматизировать игру в шахматы, описать правила игры в терминах логических вычислений. Сразу возникли проблемы, хорошо известные сегодня специалистам по искусственному интеллекту – не было подходящего инструментария для работы со сложными структурами данных.

Публикаций о работах К. Цузе и какой-либо рекламы из-за секретности не было, и поэтому о них стало известно лишь спустя несколько лет после завершения Второй мировой войны.

В начале 1950-х годов экономика Германии пошла на подъем.

К. Цузе организовал фирму Zuze KG, построил машину Z-11 и использовал ее для решения задач перепланировки земель, проектирования оптических приборов. Уже тогда возникли проблемы создания хорошего программного обеспечения.

Затем К. Цузе построил машину Z-22, которая:

- поддерживала общие алгоритмы вычислений;

- могла работать с произвольными структурами данных;

- имела достаточный объем памяти и была популярна у многих немецких инженеров и ученых.

К. Цузе полагал, что у него появятся заказы на расчеты от малых и средних компаний, но они тогда не очень нуждались в подобных услугах, и Zuze KG оказалась убыточной. Государственное финансирование работ в компьютерной области началось позже.

К. Цузе продолжал экспериментировать с различными вычислительными устройствами, сделал автоматическую рисовальную доску – первый прообраз современных систем автоматизированного проектирования. В 1964 г. он предложил автоматическую систему управления крупными ткацкими станками.

С 1966 г. К. Цузе стал работать в компании Siemens AG.

3.3. Машины Г. Эйкена

В 1937 г. гарвардский математик Говард Эйкен предложил проект создания большой счетной машины. Спонсировал работу президент компании IBM Т. Уотсон, который в 1939 г. вложил в нее 500 тысяч долларов из фондов своей фирмы. Проектирование «Mark-1» началось в 1939 г., строило этот компьютер нью-йоркское предприятие IBM. В процессе работы над докторской диссертацией Г. Эйкену приходилось выполнять бесконечное множество вычислений. Имевшиеся сортировальные машины и калькуляторы его не устраивали, и он решил создать универсальную программируемую вычислительную машину.