От абака до компьютера

         

ЕСТАТИСТИЧЕСКИЙ ИНЖЕНЕР»


Вооруженные карандашом и бумагой или в луч­шем случае суммирующей машиной американ­ские статистики прошлого века испытывали

острую необходимость в автоматизации длитель­ной, утомительной и однообразной работы по обработке «Эвереста данных» — переписи в США проводятся каж­дые 10 лет. Именно здесь применил свои незаурядные способности изобретателя сын четы немецких эмигран­тов Германн Холлерит.

Он родился 29 февраля 1860 года и умер 17 ноября 1929 года. В детстве Германн ничем не отличался от своих сверстников, разве только особой ненавистью к грамматике. Чтобы не присутствовать на этих уроках, он выпрыгивал из окна второго этажа и убегал домой. В 1919 году знаменитый изобретатель мистер Г. Холле­рит скажет: «Жизнь слишком коротка, чтобы правильно писать», но за 50 лет до этого родители вынуждены бы­ли забрать его из школы.

Воспитание Германна было доверено пастору мест­ной лютеранской церкви, который, видимо, сумел с этим справиться. Холлерит окончил Торную школу при Ко­лумбийском университете и был принят на работу в статистическое управление при министерстве внутренних

дел США.

Случай свел его с доктором Дж. Биллингсом, воз­главлявшим работы по составлению сводных данных. Однажды некая юная мисс обратила внимание на строй­ного черноволосого юношу, с энтузиазмом поглощав­шего в министерском буфете салат из цыплят, и при-

8*

163

гласила его отведать цыплячий салат, приготовленный ее матерью. Юная мисс была дочерью доктора Биллинг-са, а юный любитель цыплят — Германном Холлеритом. Приглашение было с благодарностью принято, и, как впоследствии вспоминал Холлерит, за обеденным столом хозяин дома обмолвился о том, что, вероятно, возможно построить машину, которая чисто механически выпол­няла бы утомительную работу клерков его оффиса.

Голливудского развития «история с салатом» не по­лучила: мисс Биллинге не вышла замуж за Холлерита. Но слова шефа департамента сводных данных застави­ли 21-летнего Германна надолго задуматься.


В 1882 году он принял должность преподавателя ма­шиностроения в Массачусетском технологическом ин­ституте, где и начал разрабатывать «машину для 'пере­писи населения». Преподавательская деятельность Хол-лериту вскоре наскучила, и он перешел в Вашингтонское бюро патентов. Здесь у Холлерита было больше време­ни для занятий машиной; кроме того, знание патентного права для изобретателя оказалось небесполезным. В те­чение 1884—1889 годов Холлерит получил свои четыре основных патента на перфокартные машины, к которым впоследствии прибавилось еще 30.

Первоначально он предполагал использовать в каче­стве носителя информации бумажную ленту с пробиты­ми в ней соответствующим образом отверстиями (пер­фоленту). Но для большого количества данных работа с лентой оказалась затруднительной: лента часто рва­лась и требовала перемоток для отыскания нужных све­дений.

Удачному решению помог случай. Однажды Холле­рит обратил внимание на железнодорожного кондукто­ра, который с помощью ручного компостера заносил в какой-то бланк сведения о пассажирах. У него возникла идея разработки перфокарты, на которую могли быть нанесены в виде отверстий обрабатываемые данные и которая была бы более удобной «пищей» для машины, нежели лента. Неизвестно, был ли знаком Холлерит с идеями Жаккара и Бэббиджа, но то, что'он предложил, было, по существу, повторением, пройденного. Однако на «носителе информации» сходство кончалось. Все ос­тальное оборудование Холлерита: простой пробойник (перфоратор), сложный пробойник, сортировальная ма­шина и табулятор — было оригинальным.

164

Основная идея Холлерита состояла в том, чтобы пред­ставить подлежащие обработке данные отверстиями в фиксированных местах перфокарты и затем либо под­считать отверстия на всех перфокартах, либо рассорти­ровать перфокарты по тому же принципу.

Первые перфокарты (85/8 Х 3'/4 дюйма) имели 6 ря­дов по 32 позиции. Перфорация осуществлялась вручную на пробойнике, состоящем из чугунного корпуса с при­емником для карты и собственно пробойника.


Над при­емником помещалась пластинка с несколькими рядами отверстий; при нажиме рукоятки пробойника над одним из них карта под пластинкой пробивалась нужным об­разом. Сложный пробойник пробивал на группе карт общие данные одним нажатием ручки.

Сортировальная машина представляла собой несколь­ко ящиков с крышками. Карты продвигались вручную между набором подпружиненных штырей и резервуара­ми, наполненными ртутью. Когда штырь попадал в отверстие, он касался ртути и замыкал электрическую цепь. При этом приподнималась крышка определенного ящика, и оператор опускал туда карту.

Табулятор работал аналогично сортировальной ма­шине: число обнаруживаемых отверстий подсчитывалось счетчиком. Каждый счетчик имел циферблат со стрел­кой, которая перемещалась на единицу шкалы после

каждого отверстия.

Система Холлерита была опробована в 1887 году при составлении статистики смертности в Балтиморе. Затем в 1896 году перфокартные машины были использованы во время очередной переписи населения, сократив время обработки данных почти в четыре раза.

В 1890 году Холлерит получил степень доктора фи­лософии от Колумбийского университета и несколько американских научных наград, а спустя три года его «электрический табулятор» был награжден бронзовой медалью Всемирной выставки в Париже.

В 1896 году Холлерит организует компанию табуля­торов, которая начинает серийный выпуск машин. Они . проникают в Австрию, Норвегию, Швейцарию, Англию;

были они куплены и русским правительством. Постепен­но расширяется сфера их применения: сельскохозяй­ственная перепись, железнодорожная статистика, начис­ление заработной платы и учет материалов на крупных предприятиях и т. д.

165

Между тем Холлерит продолжает совершенствовать свои машины и делает ряд новых изобретений. В 1902 го­ду он создает автоматический табулятор, в котором карты подавались не вручную, а автоматически, и мо­дернизирует свою сортировальную машину. Спустя 6 лет Холлернт предлагает конструкцию сумматора, которая оказалась столь удачной, что ее использовали впослед­ствии во многих счетно-аналитических машинах.



Сумматор управлялся картами, а наличие отверстий в них обнаруживалось контактными щетками. Цифро­вые колеса счетчика сумматора поворачивались через зубчатые зацепления от непрерывно вращающегося ва­ла, который нес на себе скользящие кулачковые муфты, управляемые электромагнитами. Когда под контактной щеткой оказывалось отверстие, замыкалась электричес­кая цепь соответствующего электромагнита, и он вклю­чал муфту, которая подсоединяла цифровое колесо к вращающемуся валу; содержимое счетчика в данном разряде увеличивалось на число, пропорциональное уг­лу поворота колеса. Все муфты автоматически выключа­лись при прохождении под щетками ряда «синхронизи­рующих отверстий». Передача десятков осуществлялась в два приема, примерно так же, как и в разностной ма­шине Бэббиджа.

В 1910—1920 годах появляется ряд других компаний по производству счетно-аналитических машин: в США — «Компания счетных машин Пауэрса»; во Франции — «Компания машин Бюлля», основанная норвежским ин­женером Фредериком Бюллем, который завещал все свои многочисленные патенты норвежскому-институту рако­вых исследований. Наличие конкурентов вынудило Хол-лерита в 1911 году продать свою компанию, которая, слившись с другими, образовала впоследствии между­народную корпорацию но производству вычислительных машин IBM.

Работы Холлерита подготовили дальнейшее развитие перфокартой техники на промышленной основе: в 1913 году появляется «печатающий табулятор» и «на­капливающий табулятор» — разновидность специализи­рованной суммирующей электромеханической машины;

в 1921 году к табулятору была присоединена коммута­ционная доска, позволявшая «направлять» в определен­ный регистр результат считывания с соответствующего столбца перфокарты; в 1931 году был изобретен вычи-

t6&

слительный (или множительный) перфоратор, а в 1936 году—алфавитно-цифровые перфокартные маши­ны; наконец в 1946 году были созданы первые электрон­ные счетно-аналитические машины.



Счетно-аналитические машины в настоящее время очень широко применяются для механизации учета, при обработке различных статистических данных и т. п. Ком­плект современных счетно-аналитических машин содер­жит перфораторы, сортировальные машины и табулято­ры. Они автоматически выполняют именно ту работу, которую предназначил им в свое время Холлерит.

В 1895 году Холлерит выступал с лекциями о своих машинах в Европе. В Берне он был представлен собрав­шимся как «статистический инженер». «Я вовсе не удив­люсь, если это определение не станет общепринятым,— писал Холлерит жене.— Но если все же в будущем это случится, я буду счастлив от того, что был первым <ста-тистическим инженером».

Он действительно им был.

НАСЛЕДНИК ИЗ ДЕПАРТАМЕНТА МОРСКОГО КАЛЕНДАРЯ

Работа Хадсона по применению счетных машин для научных расчетов, о которой мы упоминали в предыду< щей главе, не нашла отклика среди специалистов-вычи­слителей. Основные научные вычисления, в частности со­ставление таблиц, практически всю первую треть наше­го столетия велись вручную. Первые энергичные попыт­ки механизации, а затем и автоматизации табулирова­ния связаны с именем Комри, астронома и вычислителя, которого заслуженно следует считать прямым наслед­ником Бэббиджа в XX веке.

Лесли Джон Комри родился в 1893 году в Новой Зе­ландии, на ферме своего отца, выходца из Шотландии. Закончив Оклендский университетский колледж в Ан­глии, он в 1916 году становится магистром химии. Не­смотря на свою частичную глухоту, Комри добровольцем участвует в первой мировой войне в составе новозеланд­ского экспедиционного корпуса и в боях теряет ногу.

После войны Комри решает заняться астрономией и поступает в колледж св. Иоанна в Кембридже. В 1924 году он получает степень доктора философии по астрономии, а с 1925 года работает в департаменте мор-

ского календаря, совсем недолго — рядовым сотрудни­ком, затем—заместителем заведующего, с 1930 по 1936 год — заведующим департаментом.



Ознакомившись с работами Бэббиджа и Хадсона, Комри вознамерился механизировать табулирование, ко­торое^ составляло основную часть деятельности сотруд­ников департамента. В 1928 году он использует счетную машину для табулирования функций с постоянными вто­рыми разностями. В 1931 году с помощью машины «Бэр-роуз» Комри вычисляет и печатает семизначные и вось­мизначные таблицы основных тригонометрических функ­ций с шагом в одну секунду дуги.

В том же 1931 году Комри обращается к английско­му правительству с настоятельной просьбой о финанси­ровании работ по созданию разностной машины. Ему повезло больше, чем Бэббиджу, да и 100 лет прошли, видимо, не зря: согласие правительства было получено всего лишь через два года, и уже к концу 1933 года раз­ностная машина «Нейшнл» была построена. Это была • первая английская разностная машина (построенная в 1859 году машина Донкина была копией шведской ма­шины Шютцев).

Машина «Нейшнл» могла табулировать с точностью до 13 знаков функции с постоянными шестыми разно­стями. Это значит, что построенная через 100 лет после Бэббиджа машина имела меньшие возможности, чем запроектированная Бэббиджем!

Благодаря усилиям Комри к середине 30-х годов в Англии применялись для научно-технических расчетов около 15 различных счетных машин. Ему же принадле­жит инициатива успешного использования для этих це­лей счетно-аналитических машин Холлерита.

Сравнивая жизненные и творческие пути Бэббиджа и Комри, можно заметить, что между ними было много общего. Даже характеры их были схожи. Вот что писал, например, о Комри близко знавший его английский уче­ный Садлер: «Гордый, чувствительный, склонный быть нетерпимым и критиковать других, он не мог понять и простить недооценки его работ теми, кто не обладал его энергией, рвением и доскональностью... Но это лишь одна сторона; пунктуальный во всем, он необычайно щедро отдавал свое время и энергию, когда речь шла о помощи другим...»

168

В 1936 году Комри основывает собственную фирму, специализирующуюся на выполнении сложных научных расчетов.


В годы войны (1939—1945) фирма выполнила большое число научно-технических расчетов, в том чи­сле и военного характера, по прямым заданиям англий­ского правительства.

Напряженная работа сказалась на здоровье Комри:

в 1947 году он лишился речи, а спустя три года, в 1950 году, умер.

Комри хорошо знал и высоко ценил работы Бэббид­жа и постоянно упоминал их в своих статьях. В 1944 го­ду он опубликовал в английском научном журнале «Ней-чур» статью, посвященную описанию одной из первых в мире автоматических цифровых вычислительных ма­шин — машины «Марк I», созданной группой американ­ских инженеров под руководством Говарда Айкена. Статья называлась «Мечта Бэббиджа сбылась».

Часть IV

...и, наконец, компьютер...

К 2... году, в эпоху сплошной компьютеризации, скромный клерк, герой научно-фантастического рассказа А. Азимова сОсознан-ное могущество», обнаруживает, что операцию умножения можно выполнить без вычислительной машины, и изобретает таблицу умно­жения и способ перемножения многозначных чисел. Жизнь, однако, опережает самые дерзкие предвидения фантастов: уже в начале 70-х годов один американский журнал сообщал о езабастовке» то­кийских школьников, они потребовали вместо обучения письменному счету ввести обучение работе на карманных миникомпьютерах. А ведь еще каких-нибудь 36—40 лет назад не было ни термина, ни самих компьютеров...

НЕДОЛГИЙ ВЕК РЕЛЕЙНЫХ МАШИН

Бывало нечто, о чем говорят: Смотря, вот это ново, но это было уже в веках, бывших прежде нас.

сЭкклезиаст», 1, 10

МЕЧТА БЭББИДЖА СБЫЛАСЬ»

В   1937 году американский физик Говард Гатуэй Айкен начал работать в Гарвардском универ­ситете над тезисами своей диссертации. Айкену было около сорока — возраст, не типичный для диссертанта. Нетипичным был и его путь в науку.

Закончив военно-техническую школу в Индианопо-лисе, Айкен поступил в Висконслнский университет, где в 1923 году получил степень бакалавра в области электротехники. Но еще в 1919 году, будучи студентом, Айкен начал служить в Мэдисонской газовой компании, специализируясь на разработке и исследовании гене­раторов сильных токов.


Добившись некоторых успехов, он в 1928 году перешел в фирму «Вестингауз». Но мо­лодого инженера тянуло к «основам науки» — матема­тике и физике, и в 1931 году он снова становится сту­дентом, на этот раз Чикагского университета. В следу­ющем году, окончательно порвав с Вестингаузом, он переходит в Гарвард, где завершает свое научное обра­зование.

Теоретическая часть диссертации Айкена содержала решение так называемых нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Чтобы сократить вычи­слительную работу, Айкен начал придумывать неслож­ные машины для автоматического решения частных за­дач, например для вычисления полиномов. В конце кон­цов он пришел к идее автоматической универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг научно-технических задач.

17U

Фирма IBM, согласившаяся финансировать созда­ние машины, выделила в распоряжение Айкена четырех инженеров. Работа продолжалась около пяти лет, и в августе 1944 года была закончена и передана Гарвард­скому университету «Вычислительная машина с автома­тическим управлением последовательностью операций» (АСКК), известная под названием «Марк I».

Замечательно, что ее автором был человек, широтой своих интересов — инженер, математик, физик,— напо­минавший Чарлза Бэббиджа. С идеями великого англи­чанина Айкен познакомился случайно, спустя три года после начала работы над «Марк I». Пораженный пред­видением Бэббиджа, он писал: «Живи Бэббидж на 75 лет позже, я остался бы безработным!»

В «Марк I» использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические — для управления работой машины. Как и в аналитической ма­шине, числа хранились в регистрах, состоящих из де-сятизубых счетных колес. Каждый регистр содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для пред­ставления числа, а одно — для представления его зна­ка. Регистр имел механизм передачи десятков и поэто­му использовался не только для хранения чисел; нахо­дящееся в одном регистре могло быть передано в другой регистр, и добавлено к находящемуся там числу (или вычтено из него).



Эти операции выполнялись следующим образом. Че­рез счетные колеса, образующие регистр, проходил не­прерывно вращающийся вал, причем любое колесо с помощью электромеханических переключателей могло быть присоединено к этому валу на время, составляю­щее некоторую часть периода его оборота. К каждому колесу присоединялась щетка (считывающий контакт), которая при вращении колеса пробегала по неподвиж­ному десятисегментному контакту. Это позволяло по­лучить электрический эквивалент цифры, хранящейся в данном разряде регистра. Для выполнения операции суммирования устанавливались такие соединения меж­ду щетками первого регистра и механизмом переключе­ния второго регистра, что колеса последнего связыва­лись с валом на часть периода оборота, пропорциональ­ную цифрам, находящимся в соответствующих разрядах первого регистра. Все переключатели автоматически вы­ключались в конце фазы сложения, занимавшей не более

172

половины периода оборота. Таким образом, механизм суммирования, по существу, не отличался от суммато­ров холлеритовских табуляторов. Регистры были снаб­жены системой сквозного переноса, аналогичной пред­лагавшейся Бэббиджем.

Всего в «Марк I» было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память из 60 регистров, образованных механическими переключателями. В эту дополнительную память вручную вводились константы — числа, которые не изменялись в процессе вычислений *.

Умножение и деление производились в отдельном устройстве. Кроме того, машина имела встроенные ре­лейные блоки для вычисления функций sin x, 10я и log x. Скорость выполнения арифметических операций в среднем составляла: сложение и вычитание — 0,3 се­кунды, умножение—5,7 секунды, деление—15,3 секун­ды. Таким образом, «Марк I» был «эквивалентен» при­мерно 20 операторам, работающим с ручными счетны­ми машинами.

Работой «Марк I» управляли команды, вводимые с помощью перфорированной ленты. Каждая команда ко­дировалась посредством пробивки отверстий в 24 колон­ках, идущих вдоль ленты, и считывалась с помощью кон­тактных щеток.


Совокупность электрических сигналов, полученных в результате «прощупывания» позиций дан­ ного ряда, определяла действие машины на данном ша­ге вычислений.

После завершения операции лента сдвигалась, и под контактные щетки попадал следующий ряд отверстий. В одной перфоленте Айкен объединил два типа бэббид-' жевских перфокарт — операционные карты и карты пе­ременных.

Не останавливаясь на вопросах программирования для «Марк I», отметим лишь, что в первом варианте си­стемы команд этой машины отсутствовала важная ко­манда условного перехода, предложенная автором ана­литической машины. Она была включена в систему ко­манд «Марк I» позднее, возможно, вследствие знаком­ства Айкена с работами Чарлза Бэббиджа.

В качестве устройств вывода Айкен использовал пи­шущие машинки и перфораторы. «Марк I» содержал все

* Еще раз подчеркнем широту замыслов Бэббиджа: «Марк I» содержал 142 запоминающих регистра, а аналитическая машина — 1000.

173

основные блоки аналитический машины: устройства вво­да и вывода, устройство управления, память («склад») и арифметическое устройство («мельница»).

«Мечта Бэббиджа сбылась!»

Вслед за пуском «Марк I» гарвардская группа, офор­мившаяся в вычислительную лабораторию университета во главе с все тем же Айкеном, начала работу над «Марк II». В этой машине для запоминания чисел, вы­полнения арифметических операций и операций управле­ния должны были использоваться электромеханические реле. Законченная в 1947 году «Марк II» содержала око­ло 13 000 таких реле и была, таким образом, чисто ре­лейной вычислительной машиной.

Числа в «Марк II» представлялись в форме с пла­вающей запятой, то есть в виде а-10 , где а содержит до 10 значащих цифр, а порядок в заключен в преде­лах —15 s$ в ^ 15.

Каждая десятичная цифра представлена в двоичной форме и хранится 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 — электромеханических реле и электронных триггеров, которые могут находиться в одном из двух устойчивых состояний. Тогда одному из них можно поставить в соответствие 0, а другому—1. Нетрудно видеть, что для представления одной десятич­ной цифры потребуется 4 двоичных разряда (скажем, цифра 9 выглядит как 1001). В «Марк II» используется не чисто двоичное, а двоично-десятичное представление чисел, поэтому для представления десятиразрядной де­сятичной мантиссы требуется 4 Х 10 двоичных разрядов (и реле соответственно). Еще 4 реле идут на представ­ление показателя и 2 реле используются для хранения знака мантиссы и показателя. Таким образом, каждый из 100 регистров машины содержит 46 реле.

Для ввода чисел в регистр и вывода их (на эти опе­рации уходит примерно 0,033 секунды) используется еще 16 реле. Короткие арифметические операции выполняют­ся в сумматоре, который в отличие от «Марк I» отделен от памяти. Время выполнения операций сложения и вы-

174

читания занимает примерно 0,125 секунды. Умножение выполняется в отдельном устройстве и требует в сред­нем 0,25 секунды, а операция деления заменена опера­цией вычисления приближенных значений обратных ве­личин. В машине предусмотрены специализированные устройства для вычисления функций 10*, cos x, sin x, log x. Так же как в «Марк I», для управления машиной используется перфолента, а вывод результатов осу­ществляется с помощью печатающих механизмов.


Содержание раздела