Наш предок появился в процессе эволюции в те трудные для него времена глобальных изменений климата, исчезновения привычных источников питания и смены среды обитания. Именно в это время происходит массовое вымирание благополучных до этого видов животных, не сумевших вовремя приспособиться к изменившимся условиям. Человек, в отличие от своих братьев меньших, оказался весьма изобретательным существом, очень рано научился создавать орудия труда, технологии для их использования и первым существом на Земле стал использовать закодированную информацию в качестве помощника в процессе выживания. Изначально носителем информации была речь.
Появление речи у развитых гоминид, можно обозначить как первую информационную революцию на заре формирования человека разумного (от 100 до 40 тыс. лет до н.э.). Развитие речи помогало общению, передаче накопленного опыта и знаний.
В дальнейшем возникла потребность в передаче информации в вещественной форме - появилось первобытное искусство — целые галереи наскальных рисунков с изображением животных и охоты сохранились в пещерах Альтамиры, Монтеспан, Костенки и Шульган – Таш.
Изобретение и освоение письменности стало второй информационной революцией (около 5 тыс. лет до н.э.). К каменному веку относятся первые примеры информационной символики — пиктографическое письмо (рисунки на камне).
Развитие счета продолжалось благодаря физиологическим особенностям человека — наличию пальцев на руках (счет до 10).
Добумажные ИТ характеризуются постоянным совершенствованием носителя информации. Запись на камне впервые позволила добиться эффекта обезличения процесса передачи информации. Запись на глиняных табличках и деревянных дощечках дала возможность перейти к информационным коммуникациям, изобретение папируса (III тыс. до н. э.) означало значительное повышение емкости носителя информации, а применение пергамента завершило добумажную фазу: появился оптимальный носитель информации — книга (IV в. до н.э.).
Александрийская библиотека была значительным научным центром, где работали Эратосфен, Зенодот, Аристарх Самосский, Каллимах и др. Весь объем информации, заключавшийся в свитках Александрийской библиотеки можно оценить в 106 – 108 слов или в 0.1…1 Гб и это можно назвать одним из первых ИТ хранения.
В те же времена начались развиваться и ИТ технологии передачи информации – качественно новый, более динамичный и открытый характер информационные коммуникации приобрели, когда в крупных государствах (Греция, Персия, Египет IV – III в. до н.э.) возникла хорошо налаженная почтовая связь.
Первая ИТ технология обработки информации появилась в то время, когда с увеличением объёма вычислений от счета на предметах человек естественно перешел на счет с помощью замечательного инструмента - абака. Древнегреческий абак (доска или "саламинская доска" по имени острова Саламин в Эгейском море, откуда он пришел) представлял собой посыпанную морским песком дощечку. На песке проводились бороздки, на которых камешками обозначались числа. Римляне усовершенствовали абак, перейдя от деревянных досок, песка и камешков к мраморным доскам с выточенными желобками и мраморными шариками.
Абак или в дальнейшем счеты сохранились до эпохи возрождения, а в видоизмененном виде, сначала как "дощатый счет" и как русские счеты - до наших дней. Абак удобно использовать для выполнения операций сложения и вычитания.
Сегодня для обучения детей скоростному устному счету активно применяется японский вариант абака – соробан. В Японии и Китае он уже давно является элементом школьной программы и применяется на уроках математики в младших классах.
Изобретение логарифмов в 1614 г. - крупнейшее достижение Джона Непера. При помощи логарифмических таблиц легко было выполнять умножение и деление больших чисел.
Джон Непер создал прибор для умножения с использованием логарифмов, названный счетными палочками. Особенно революционно изобретение Непером счетной доски для умножения, деления, возведения в квадрат, извлечения квадратного корня в двоичной системе счисления.
В 1622 году, используя принцип действия этого устройства, Вильям Оугтред (William Oughtred) разработал логарифмическую линейку, которая в 19-20 веках стала основным инструментом инженеров.
Логарифмическая линейка значительно облегчила сложные вычисления для инженеров и ученых. В XX веке до появления калькуляторов и компьютеров логарифмическая линейка была таким же символом инженерных специальностей, каким для врачей является фонендоскоп.
В дневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452-1519) уже в наше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным наброском первой вычислительной машины - десятичного суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами.
Считается, что первая машина, способная автоматически выполнять четыре арифметических действия, была создана в 1623 году Вильгельмом Шиккардом (1592-1635).
Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома, связанной в основном с вычислениями, Шиккард загорелся идеей оказать ему помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, что она устроена на базе шестиразрядного десятичного вычислителя, состоявшего также из зубчатых колес, рассчитанного на выполнение сложения, вычитания, а также табличного умножения и деления.
Более 300 лет считалось, что автором первого механического калькулятора является Блез Паскаль. Правда, иезуит Иоганн Цирман в своей книге "Дисциплина математика" в 1640 году писал о счетной машине, которую он якобы изобрел и успешно демонстрировал во время своих лекций в Амстердаме и Левене. Однако машину отца Иоганна никто никогда не видел, и пальма первенства осталась за Паскалем. Но только до тех пор, пока в 1957 году ни произошло событие, которое поколебало первенство "паскалева колеса". Вот что пишут по этому поводу авторы книги "От абака до компьютера" Р.С. Гутер и Ю.Л. Полунов:
Работая в городской библиотеке Штутгарта, директор Кеплеровского научного центра доктор Гаммер обнаружил фотокопию эскиза неизвестной ранее счетной машины (оригинал хранился в архиве Кеплера, находящемся в Пулковской обсерватории близ Петербурга). Ему удалось установить, что этот эскиз представляет собой отсутствующее приложение к опубликованному ранее письму, адресованному Кеплеру, от профессора университета в Тюбингене Вильгельма Шиккарда.
Теперь стало более понятным другое письмо Шиккарда Кеплеру от 20 сентября 1623 года, на которое прежде исследователи почти не обращали внимания. В нём говорилось:
То, что вы делали с помощью математических расчётов, я только что научился делать с помощью механики. Кеплер был бы приятно удивлен, если бы увидел, как машина сама накапливает и переносит влево десяток или сотню и как она вычитает то, что держит в уме.
Кроме суммирующего механизма, в машине Шиккарда имелось множительное устройство, расположенное в верхней, вертикальной, части машины и представлявшее собой неперовские палочки, свернутые в цилиндр.
Была ли построена машина Шиккарда при жизни её изобретателя? К сожалению, на этот счет нет достоверных сведений. Из упоминавшегося выше письма Шиккарда от 25 февраля 1624 года следует, что один наполовину готовый экземпляр машины, находившейся у механика Пфистера, сгорел во время трехдневного пожара.
На вопрос, использовал ли Паскаль в своей "паскалине" идеи Шиккарда, следует ответить отрицательно. Документы говорят о том, что никаких сведений о счетной машине 1623 года не дошло до научных кругов Парижа, и, следовательно, Паскаль был полностью независимым в своем изобретении. Некоторые элементы, в частности, способ ввода чисел в машину, у Шиккарда и Паскаля в принципе идентичны, однако основной узел машины – механизм передачи десятков – выполнен у Шиккарда значительно проще и надежнее.
Справедливости ради, необходимо отметить, что и машина Шиккарда была не первой. Это обнаружилось в 1967 году, когда в Национальной библиотеке Мадрида были найдены два тома неопубликованных рукописей Леонардо да Винчи. Среди чертежей первого тома имелся эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с 10 зубчатыми колесами.
К наиболее раннему примеру счётной техники следует отнести и Антикитерский механизм. Это механическое устройство, обнаруженное в 1902 году на затонувшем древнем судне недалеко от греческого острова Антикитера. Датируется приблизительно 100 годом до нашей эры. Хранится в Национальном археологическом музее в Афинах.
Другие устройства подобной сложности неизвестны в эллинистической культуре. В нём используется дифференциальная передача, которая, как ранее считалось, изобретена не раньше XVI века, а уровень миниатюризации и сложность сопоставимы с механическими часами XVIII века. Ориентировочные размеры механизма в сборе 33×18×10 см.
Вероятно, Вильгельма Шиккарда следует считать одним из предшественников механизации счета, но не изобретателем счетной машины. Действительно, хотя Шиккард сконструировал свою машину на двадцать лет раньше Паскаля, его машину никто не видел, распространения она не получила и, в отличие от калькулятора Паскаля, влияния на последующее развитие арифметических механических устройств не оказала, что нисколько не умаляет восхищение математическим и инженерным даром её создателя.
Труды, да и сама фигура Шиккарда, видного учёного эпохи Возрождения, были забыты в смутное время Тридцатилетней войны (1618–1648). После битвы близ баварского городка Нёрдлингена в сентябре 1634 года, когда католическая армия одержала решающую победу над протестантской армией, победоносные войска заняли Тюбинген. Войска принесли с собой бубонную чуму. В течение следующего года от болезни скончались жена и дети учёного, которых ему суждено было пережить. 23 октября 1635 года от чумы умер и сам Вильгельм Шиккард.
18-летний сын французского сборщика налогов изобрел механический калькулятор, чтобы помочь отцу в расчетах с пошлинами.
К зубчатым колесам он добавил ступенчатый валик, позволяющий осуществлять умножение и деление. "...Моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию", – писал В. Лейбниц одному из своих друзей.
В 1821 году француз Карл Томас организовал серийное производство арифмометров, основанных на применении ступенчатого валика Лейбница. В дальнейшем петербургским ученым В.Т. Однером был создан и организован массовый выпуск арифмометров, которые распространились по всему миру. Несколько десятков лет это была самая популярная вычислительная машина.
Однер заменил ступенчатые валики Лейбница зубчатым колесом с меняющимся числом зубцов. В 1876 г. был создан первый арифмометр Чебышева, который является 10-разрядной суммирующей машиной с непрерывной передачей десятков, где колесо высшего разряда продвигается на одно деление, в то время как колесо низшего разряда переходит с 9 на 0.
Как бы мы ни восхищались современной вычислительной техникой, не следует забывать, что у её истоков находились несовершенные, но уникальные ее образцы. Одним из них является ступенчатый вычислитель Лейбница. Сейчас – это всего лишь музейный экспонат, но в 1694 году первая счетная машина Лейбница произвела фурор в обществе, потому что позволила умственную работу частично заменить механической.
Умножение производилось следующим образом: с помощью циферблата вводилось множимое (допустим 8); затем, если число умножалось на 7, - ручку главного привода прокручивали на 360° 7 раз; в окошке результата появлялось число 56.
Но это пример умножения простых чисел, а калькулятор Лейбница работал по двоичной системе исчисления и мог производить арифметические действия с огромными числами.
Разочарованный большим количеством ошибок в вычислениях Королевского Астрономического Общества, Бэббидж пришел к мысли о необходимости автоматизации вычислений. Первая попытка реализации такой машины была предпринята Бэббиджем в 1822 г., когда он создал машину, предназначенную для решения дифференциальных уравнений, названную “разностной машиной”.
Работа модели основывалась на принципе, известном в математике как "метод конечных разностей". Аналитическая машина (так назвал ее Бэббидж), проект которой он разработал в 1836-1848 годах, явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие ЭВМ. В ней предполагалось иметь те же, что и в ЭВМ, пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода. Для арифметического устройства Ч. Бэббидж использовал зубчатые колеса, подобные тем, что использовались ранее. На них же Ч. Бэббидж намеревался построить устройство памяти из 1000 50-разрядных регистров (по 50 колес в каждом). Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах (пробивками), на них же записывались исходные данные и результаты вычислений. В число операций, помимо четырех арифметических, была включена операция условного перехода и операции с кодами команд. Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось устройством управления. Время сложения двух 50-разрядных десятичных чисел составляло, по расчетам ученого, 1 с., умножения – 1 мин. Движение механических частей машины должен был осуществлять паровой двигатель. Большая, как локомотив, машина должна была автоматически выполнять вычисления и печатать результаты.
Не случайно именем этой замечательной женщины назвали одну из первых систем программирования. Большая разностная машина так и не была построена до конца. В 1871 году Бэббидж изготовил опытный образец арифметического устройства ("завода") аналитической машины и принтера. Технические трудности, с которыми пришлось встретиться при реализации, не позволили осуществить проект, поэтому Бэббидж не опубликовал проект полностью, а ограничился описанием его в своих лекциях, чертежах и рисунках.
Каждая величина в ней может принимать только одно из двух значений: истина или ложь, 1 или 0. Буль изобрел своеобразную алгебру - систему обозначений и правил, применимую к различным объектам, от чисел до предложений. Пользуясь правилами алгебры, он мог закодировать высказывания (утверждения, истинность или ложность которых требовалось доказать) с помощью символов своего языка, а затем манипулировать ими, подобно тому как в математике манипулируют числами.
Через некоторое время стало понятно, что система Буля хорошо подходит для описания переключательных схем. Ток в электрической цепи может либо протекать, либо отсутствовать, подобно тому, как утверждение может быть либо истинным, либо ложным. Разработанная им алгебра логики (алгебра Буля) нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления.
Основные труды Буля посвящены высшей алгебре, теории вероятностей, теории дифференциальных уравнений, исчислению конечных разностей. Но наибольшее значение имеет созданная Булем символическая математическая логика. Изобретённая им алгебра - булева алгебра - стала универсальным языком для описания всех логических процессов, в том числе и электронных вычислительных машин. Теория логики Буля, основанная на трех основных действиях — AND (и), OR (или), NOT (не), — должна была стать в XX веке основой для разработки переключающих телефонных линий и проектов ЭВМ. Так же, как и идеями Лейбница, булевой алгеброй пренебрегали в течение многих лет после того, как она была создана.
«Если Лейбниц в своё время пытался арифметизировать логику, то Буль её алгебраизирует, превращая в математическую науку. В принципе, его идеи лежали в русле попыток английских алгебраистов создать символическую алгебру, т. е. "науку о символах и их комбинациях, конструируемых по их собственным правилам, которая может быть применена к арифметике или к другим наукам посредством интерпретации» (Д. Пикок).
Через 63 года после смерти Ч. Бэббиджа немецкий студент Конрад Цузе (1910-1985) взял на себя задачу создать машину, подобную по принципу действия той, которой отдал жизнь Ч. Бэббидж. Работу по созданию машины он начал в 1934 г., за год до получения инженерного диплома. Конрад ничего не знал ни о машине Беббиджа, ни о работах Лейбница, ни о алгебре Буля, которая словно создана для того, чтобы проектировать схемы с использованием элементов, имеющих лишь два устойчивых состояния. Тем не менее он оказался достойным наследником В. Лейбница и Дж. Буля, поскольку вернул к жизни уже забытую двоичную систему исчисления, а при расчете схем использовал нечто подобное булевой алгебре. В 1937 г. машина Z1 (что означало "Цузе 1") была готова и заработала. Она была, подобно машине Беббиджа, чисто механической. Использование двоичной системы сотворило чудо – машина занимала всего два квадратных метра на столе в квартире изобретателя! Длина слов составляла 22 двоичных разряда. Выполнение операций производилось с использованием плавающей запятой. Для мантиссы и ее знака отводилось 15 разрядов, для порядка – 7. Память (тоже на механических элементах) содержала 64 слова (против 1000 у Беббиджа, что тоже уменьшило размеры машины). Числа и программа вводилась вручную. Еще через год в машине появилось устройство ввода данных и программы, использовавшее киноленту, на которую перфорировалась информация, а механическое арифметическое устройство заменило АУ последовательного действия на телефонных реле.
Почти одновременно, в 1943 году, американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века – электромеханических реле – смог построить на одном из предприятий фирмы IBM легендарный гарвардский «Марк-1» (а позднее еще и «Марк-2»). «Марк-1» имел в длину 15 метров и в высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные трансцендентные функции.
(Продолжение в следующей публикации)
