История, которую не рассказывают в школе — о том, как человечество шаг за шагом создавало «машину для мышления»
Введение: Что вообще такое «компьютер»?
Прежде чем говорить о «первом компьютере», нужно определиться с термином. Многие ошибочно считают, что первым компьютером был, скажем, ENIAC — громоздкая машина 1945 года. Но это — уже электронный цифровой программируемый компьютер. А если спуститься глубже в историю, окажется, что идея «автоматического счёта» возникла за тысячи лет до появления транзисторов и микросхем.
Слово computer (от лат. computare — «считать, подсчитывать») изначально означало не машину, а человека, выполнявшего расчёты. В XVII–XIX веках в Англии и Франции существовали целые вычислительные бюро, где десятки, а то и сотни людей — преимущественно женщин — вручную рассчитывали таблицы логарифмов, навигационные карты, траектории артиллерийских снарядов. «Компьютер» был профессией.
История первого компьютера — это не один изобретатель и не одно изобретение. Это многовековая эволюция, в которой участвовали учёные, инженеры, ремесленники, военные и даже поэты. Это история смены парадигм: от механики к электричеству, от аналоговых решений к цифровым, от жёстко заданных функций — к универсальной программируемости.
Давайте проследим этот путь от истоков — и увидим, как человечество постепенно «собрало» компьютер по частям.
Часть 1. Предыстория: когда «компьютер» — это человек, а «память» — глиняная табличка
Абак — первый «процессор» человечества
Самые ранние попытки механизировать счёт датируются III тысячелетием до н.э. Археологи находят следы использования счётных досок в Древнем Вавилоне, Египте и Китае. Наиболее известная — абак (в Китае — суаньпань, в Японии — соробан). Это не просто игрушка: абак — полноценное вычислительное устройство, способное выполнять сложение, вычитание, умножение и деление с точностью до нескольких знаков после запятой.
Что делает абак «компьютером» в широком смысле?
— Он инкапсулирует алгоритм счёта.
— Он ускоряет ручные операции (опытный пользователь соробана считает быстрее, чем на калькуляторе).
— Он хранит промежуточные результаты (положение косточек = состояние памяти).
Абак — это аналоговое вычислительное устройство с дискретными состояниями. Его логика — цифровая, хотя устройство механическое.
Антикитерский механизм — древнегреческий «аналоговый суперкомпьютер»
В 1901 году у острова Антикитера (Греция) была обнаружена затонувшая римская галера. Среди находок — загадочное устройство из бронзовых шестерёнок, возрастом около 100 года до н.э. Это — Антикитерский механизм.
Долгое время его считали астролябией. Но в 2005 году с помощью рентгеновской томографии удалось реконструировать его устройство. Оказалось: это — астрономический калькулятор, способный предсказывать:
- фазы Луны,
- солнечные и лунные затмения,
- положение Солнца, Луны и пяти известных планет,
- даты Олимпийских игр.
Внутри — не менее 30 взаимосвязанных зубчатых колёс, включая дифференциальную передачу (изобретённую, как считалось, лишь в XIX веке!). Точность механизма — до 1 градуса по эклиптике.
Это не «компьютер» в современном смысле: он не программируем, не универсален. Но он — первый известный пример сложной механической системы для автоматизированного решения научных задач. Он демонстрирует: ещё в античности люди понимали, что природные циклы можно описать математикой — и смоделировать механически.
Часть 2. Эпоха механики: когда изобретатели начали «программировать» шестерёнки
Блез Паскаль и «паскалина» (1642)
В 1642 году 19-летний французский математик Блез Паскаль, желая облегчить работу своему отцу-налоговому инспектору, создал первую в Европе механическую счётную машину — паскалин (фр. la machine arithmétique).
Устройство размером с коробку для обуви содержало восемь рядов шестерёнок. Каждая шестерёнка имела 10 позиций (от 0 до 9). При переполнении (например, 9 + 1 = 10) срабатывал механизм переноса разряда — аналогия с «переходом на следующую строку» при ручном сложении.
Паскалин умел складывать и вычитать — но не умножать. Однако он стал первым устройством, где входные данные (вращение колёсиков) превращались в выходной результат с помощью чётко определённой внутренней механики — прообраз процессора.
Важно: Паскаль получил королевский патент. Ему разрешили продавать машину с монополией на 10 лет. Но из-за высокой стоимости и сложности производства (ручная сборка из латуни!) было выпущено лишь около 50 экземпляров.
Готфрид Лейбниц и «ступенчатый барабан» (1673)
Немецкий учёный Готфрид Вильгельм Лейбниц, вдохновившись паскалиной, пошёл дальше. В 1673 году он представил в Лондонском Королевском обществе ступенчатый вычислитель (нем. Staffelwalze).
Ключевое нововведение — ступенчатый цилиндр с девятью зубцами переменной длины. Вращая его на определённый угол, можно было «вводить» цифру от 1 до 9. Соединив такой цилиндр с системой шестерён и кареткой, Лейбниц создал первую машину, умевшую умножать и делить — правда, в полуавтоматическом режиме (оператор должен был вращать ручку нужное число раз).
Но самое важное — Лейбниц был первым, кто всерьёз задумался о двоичной системе счисления. В 1703 году он опубликовал работу «Explication de l’Arithmétique Binaire», где показал, что любое число можно записать с помощью всего двух символов: 0 и 1. Более того, он увидел в этом божественную гармонию:
«Единица представляет Бога, а нуль — отсутствие бытия».
Тогда это казалось философской абстракцией. Но 250 лет спустя именно двоичная логика станет основой всех цифровых компьютеров.
Жаккард и программируемый станок (1804)
Если Паскаль и Лейбниц создали «машину для счёта», то французский ткач Жозеф Мари Жаккард в 1804 году изобрёл машину для управления поведением машины — и это был прорыв.
Его ткацкий станок позволял создавать сложные узоры, ранее недоступные в массовом производстве. Но главная революция — в способе управления. Вместо ручной настройки тысяч нитей, узор задавался с помощью перфокарт — карточек с пробитыми отверстиями.
Каждая карта соответствовала одному ряду узора. Пробитое отверстие — нить поднимается; нет отверстия — нить остаётся внизу. Цепочка карт = программа. Заменив карты — меняли узор, не переделывая станок.
Впервые в истории человечества появилось понятие программируемого устройства. Программа (набор перфокарт) и данные (нити) были отделены от «железа» (станка). Это — прямой предок современных программ.
Неудивительно, что Чарльз Бэббидж позже скажет:
«Жаккард ткал узоры на ткани так же, как мы ткём узоры в алгебре».
Часть 3. Чарльз Бэббидж и великая мечта о «разностной» и «аналитической» машинах
Разностная машина (1822–1833)
В 1822 году английский математик Чарльз Бэббидж представил миру проект Разностной машины (Difference Engine). Его цель — автоматизировать составление математических таблиц (логарифмических, тригонометрических), полных ошибок из-за человеческого фактора.
Идея проста и гениальна: многие функции (например, полиномы) можно вычислять рекурсивно, используя метод конечных разностей. Например, для квадратной функции f(x) = x²:
Разность второго порядка (Δ²) постоянна. Значит, чтобы получить следующее значение, нужно лишь прибавлять 2 к предыдущей Δ¹, а затем — новую Δ¹ к предыдущему f(x). Это можно механизировать.
Бэббидж спроектировал машину из 25 000 деталей, весом 4 тонны, с точностью до 6 знаков после запятой. Он получил грант от британского правительства (£17 000 — колоссальная сумма!) и 10 лет работал над прототипом. Но из-за неточностей в механике (ручная обработка деталей), конфликтов с инженером Джозефом Клементом и собственной склонности к «улучшениям» проект провалился. Ни одной полноценной машины при жизни Бэббиджа не построили.
Ирония: в 1991 году, к 200-летию со дня рождения Бэббиджа, в Лондонском музее науки собрали Разностную машину №2 по его чертежам — и она заработала с первого раза. Точность? 31 десятичный знак.
Аналитическая машина (1837) — первый настоящий компьютер
Но Бэббидж не сдался. Он понял: вместо того чтобы строить машину под одну задачу, нужно создать универсальную вычислительную машину. Так родилась идея Аналитической машины (Analytical Engine).
Структура её поразительно современна:
Машина должна была обрабатывать до 1000 50-разрядных чисел, иметь арифметическое устройство, регистры, управление потоком команд. Бэббидж даже предусмотрел циклическое исполнение — прообраз циклов for и while.
Но самое революционное — первый в мире программист: Ада Лавлейс.
Ада Лавлейс: первая программа в истории
Ада (урождённая Байрон), дочь поэта, с детства увлекалась математикой. В 1843 году она перевела и сильно расширила статью итальянского инженера Луиджи Менабреа об Аналитической машине. Её примечания (объёмом в 3 раза больше оригинала!) содержали:
- Первую в мире алгоритмическую диаграмму — блок-схему вычисления чисел Бернулли.
- Понимание, что машина может обрабатывать не только числа, но и символы — если задать правила.
- Пророчество:
«Машина может сочинять сложные музыкальные произведения, рисовать художественные картины… при условии, что кто-то сумеет выразить их в языке, понятном машине».
Это — предвидение искусственного интеллекта, компьютерной графики, музыкальных синтезаторов — за 100 лет до их появления.
К сожалению, Аналитическая машина так и не была построена. Бэббидж умер в 1871 году, оставив 7000 страниц чертежей и 300 кубических футов моделей. Но его идеи легли в основу всех будущих компьютеров.
Часть 4. Электричество, логика и релейные монстры: мост к цифровой эре
Джордж Буль и алгебра логики (1854)
В 1854 году английский математик Джордж Буль опубликовал «Исследование законов мышления», где создал булеву алгебру — систему, в которой переменные принимают только два значения: истина (1) и ложь (0). Операции: И, ИЛИ, НЕ.
Для contemporaries это казалось абстрактной философией. Но в 1930-х годах молодой инженер Клод Шеннон (будущий «отец теории информации») показал в своей магистерской диссертации, что электрические реле (переключатели) идеально моделируют булевы операции:
- Реле замкнуто → 1
- Реле разомкнуто → 0
- Два реле последовательно → логическое И
- Два реле параллельно → логическое ИЛИ
- Реле с нормально замкнутым контактом → НЕ
Так логика стала схемотехникой. Компьютеры перестали быть «только механическими».
Конрад Цузе и Z1 (1938) — первый программируемый цифровой компьютер
В своей берлинской квартире, в гостиной, инженер-самоучка Конрад Цузе в 1938 году собрал Z1 — первую в мире программируемую цифровую вычислительную машину.
Она была механической (из листового металла), работала на двоичной системе, имела:
- ОЗУ на 22 бит (16 для чисел, 6 для команд),
- АЛУ (арифметико-логическое устройство),
- Программное управление через перфоленту (не карты — лента!).
Z1 умел складывать, вычитать, умножать, делить и извлекать квадратный корень. Программа записывалась в виде последовательности команд: LDA (загрузить), STA (сохранить), ADD, SUB и т.д. — почти как в современных ассемблерах.
Правда, из-за неточности механики Z1 работал нестабильно. Но Цузе не сдался: в 1941 году он создал Z3 — уже на электромагнитных реле. Это была полностью функциональная машина, способная выполнять 20 операций в секунду. Она использовалась для расчётов в аэродинамике.
Z3 считается первым в мире работоспособным программируемым цифровым компьютером. В 1998 году доказано, что Z3 — Тьюринг-полный (может решить любую разрешимую задачу при достаточной памяти).
Часть 5. Война и прорыв: Коллосс, ENIAC и рождение современной эры
Коллосс — первый электронный компьютер (1943–1944)
Во время Второй мировой войны британские криптоаналитики в Блетчли-Парке пытались взломать немецкую шифровальную машину «Энигма», а позже — ещё более сложную «Лоренц». Для этого требовались миллионы проверок комбинаций вручную — невозможно.
Математик Алан Тьюринг разработал теоретическую основу взлома. А инженер Томми Флауэрс предложил радикальное решение: построить электронную машину на радиолампах.
В декабре 1943 года родился Коллосс Mark I — первый в мире электронный цифровой компьютер. Он содержал:
- 1500 радиоламп,
- 10 000 резисторов,
- 5 миль проводов,
- работал на частоте 5 кГц.
Коллосс читал данные с перфоленты со скоростью 5000 символов в секунду, анализировал статистику шифротекста и искал уязвимости. Он не был универсальным: его «программировали» подключением перемычек и переключением тумблеров — но это позволяло переконфигурировать его за часы, а не недели.
К концу войны действовало 10 машин Коллосс. Они позволили расшифровать 63 миллиона символов немецких сообщений, включая переписку Гитлера с фельдмаршалами. Считается, что Коллосс сократил войну на 2 года и спас миллионы жизней.
Но послевоенные власти приказали уничтожить все машины и засекретить проект на 30 лет. Лишь в 1970-х мир узнал правду. Поэтому долгое время «первым компьютером» ошибочно считали ENIAC.
ENIAC — «гигантский мозг» Америки (1945)
В США параллельно шли свои разработки. В 1943 году армия США заказала Пенсильванскому университету машину для расчёта артиллерийских таблиц. Руководили проектом Джон Моучли и Престер Эккерт.
В 1945 году родился ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer):
- 17 468 радиоламп,
- 70 000 резисторов,
- 10 000 конденсаторов,
- вес — 27 тонн,
- потребление — 150 кВт (хватило бы на небольшой посёлок),
- скорость — 5000 операций сложения в секунду.
ENIAC был универсальным — в отличие от Коллосса. Но «программирование» было кошмаром: чтобы сменить задачу, инженерам приходилось физически переключать сотни кабелей и 6000 тумблеров. На перепрограммирование уходили дни.
Первой «программисткой» ENIAC стала группа из шести женщин: Кей Макналти, Бетти Дженнингс, Бетти Снайдер и др. Их заслуги долгое время игнорировались — они считались «операторами», хотя именно они поняли, как логически управлять машиной.
ENIAC совершил прорыв — но его архитектура была тупиковой. Прорыв пришёл с… отчётом фон Неймана.
Архитектура фон Неймана — рождение современного компьютера (1945)
В 1945 году математик Джон фон Нейман написал «Предварительный доклад о EDVAC». В нём он предложил радикальную идею: хранить и программу, и данные в одной и той же памяти.
До этого программа была «жёстко прописана» в проводах (ENIAC) или перфоленте (Z3). А фон Нейман понял: если код — это тоже числа, то его можно:
- менять динамически,
- модифицировать во время выполнения,
- передавать как данные (основа рекурсии и компиляторов).
Архитектура фон Неймана включает:
- ЦПУ (арифметико-логическое устройство + устройство управления),
- Память (единая для данных и кода),
- Устройства ввода/вывода,
- Шину данных.
Практически все компьютеры с 1950-х по 2020-е построены по этой схеме (даже если есть кэши, GPU и т.д. — ядро то же). EDVAC (1951), MANIAC, IBM 701 — все последовали этой модели.
Часть 6. Что считать «первым»? Ответ зависит от критериев
Теперь можно подвести итог: «первого компьютера» не существует — есть цепочка «первых» по разным параметрам:
Нет «единого изобретателя». Компьютер — коллективный интеллект человечества.
Часть 7. Почему это важно сегодня?
Понимание истории компьютера — не дань ностальгии. Оно помогает:
- Видеть тренды. Сегодня — нейросети, квантовые вычисления, нейроморфные чипы. Но все они опираются на те же принципы: алгоритм, память, управление.
- Не повторять ошибки. Например, ENIAC «перегревался» — и приходилось выключать лампы по очереди. Сегодня при разгоне GPU сталкиваются с той же проблемой.
- Ценить открытость. Проекты Бэббиджа и Цузе провалились из-за секретности и отсутствия сотрудничества. Успех ENIAC и фон Неймана — в публикации идей.
- Помнить людей. За каждым прорывом — жизни, разочарования, гениальные озарения. Ада Лавлейс умерла в 36 лет. Бэббидж остался непонятым. Флауэрс был лишён финансирования после войны. Их имена должны быть в каждом учебнике.
Заключение: мы — продолжение этой цепи
Когда вы читаете эту статью на смартфоне, вы держите в руках устройство мощнее ENIAC в миллионы раз, умещающееся в кармане. Его процессор содержит миллиарды транзисторов, каждый — наследник того самого реле Флауэрса.
Но суть не изменилась:
— Мы по-прежнему пишем программы (пусть и на Python, а не на перфоленте),
— Мы по-прежнему боремся с ошибками и отладкой,
— Мы по-прежнему мечтаем о машинах, которые смогут «думать» — как мечтала Ада Лавлейс.
История первого компьютера — это история веры в разум, в силу логики, в возможность автоматизировать мышление. Она началась не в Силиконовой долине — а в кабинете Бэббиджа, в мастерской Цузе, в ткацкой фабрике Жаккарда.
И она ещё не закончена.