Александр Харс - Я познаю мир. Компьютеры и интернет

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.

Многочисленные опыты механиков показали, что рычаги, зубчатки и прочие элементы механики не так уж хороши для создания вычислительных машин. Поэтому многие конструкторы с интересом отнеслись к изобретению реле. Небольшая коробочка, внутри которой размещается десяток электрических контактов, намного расширила возможности конструкторов.

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!»

Вычислительная машина «Марк–1»

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.