От примитивного и колоссального Стоунхенджа до программируемой аналитической машины Бэббиджа на паровом двигателе и с перфокартами: как работали машины-прародители современной цифровой техники.
От аккуратно расставленных камней в Англии до точного расположения механических шестеренок в изобретениях Блеза Паскаля и Чарльза Бэббиджа — механические компьютеры сослужили хорошую службу нашим предкам и помогли им не только выжить, но преуспеть во многих сферах. О самых интересных "прародителях" современной вычислительной техники мы расскажем в этом материале.
Стоунхендж — самый простой компьютер
На равнине Солсбери на юге Англии находятся 100 массивных камней образующих пару колец, назначение которых потеряно для истории, но строительство которых началось до изобретения колеса и заняло не менее 1500 лет. Стоунхендж является одним из самых загадочных памятников истории. Кто бы ни построил его, тот ясно понимал значение зимнего солнцестояния в северном полушарии. Зимнее солнцестояние (самый короткий день в году) во многих культурах считается важным поворотным моментом, после которого зима начинает отступать, уступая место весне и лету. Зимнее солнцестояние обычно считается поводом для надежды и оптимизма, и камни Стоунхенджа идеально обрамляли заходящее солнце в день зимнего солнцестояния, отмечая этот важный момент. А во время летнего солнцестояния солнце появляется прямо за Пяточным камнем, находящимся рядом со Стоунхенджем. Интересно, что лучи в этот момент проникают прямо в сердце памятника. Самый длинный день в году во многих культурах отмечался праздниками. Вероятно, древние люди тоже собирались около этих камней на пиршество.
Возможно, скептики не увидят ничего общего между Стоунхенджем и компьютером, но на базовом уровне он действительно является вычислительным аппаратом весьма узкого назначения. Положение солнца в течение года относительно камней-трилитонов двух колец Стоунхенджа эквивалентно цифровым битам в процессоре: солнце либо восходит, либо заходит между определенным трилитоном, либо нет. Это соответствует 1 или 0. Когда вы видите цифру 1, вы знаете, что наступило солнцестояние; в противном случае вы наблюдаете 0.
Нам кажется странным тратить тысячелетия на создание аналогового компьютера из десятка массивных камней весом 40 т, просто чтобы узнать, является ли сегодняшний день одним из двух очень специфических дней в году. Но для древних народов, живших на территории современной Англии, Стоунхендж имел большое значение.
Антикитерский механизм — компьютер для астрологов
По мнению некоторых исследователей, механизм Antikythera был разработан для того, чтобы люди могли лучше понимать, что происходит в космосе. Механизм принято считать самым старым из известных механических компьютеров. Он был обнаружен в 1901 году на месте кораблекрушения у берегов греческого острова Антикитера. Считается, что ему более 2000 лет. Греческие ученые датируют устройство между 205 г. до н.э. и 87 г. до н.э.
Корпусом ему служил деревянный ящик. А за вычисления отвечали 37 бронзовые шестеренки. Если верить надписям, обнаруженным на устройстве, то оно представляло собой механическую модель "вселенной", т.е. солнечной системы, включая Юпитер и Сатурн.
Установив пару циферблатов на передней панели и повернув рукоятку сбоку коробки, древние ученые могли "перемещаться" по египетскому календарю и 12-ти знакам зодиака, чтобы посмотреть каким будет расположение планет в определенную дату. Современные ученые не верят, что это устройство было уникальным для того времени. Сложность настройки механизма и представленная им модель Вселенной говорит о том, что этой модели предшествовали более простые варианты механических компьютеров с более узким набором задач, а это означает, что такие устройства могли использоваться даже раньше, чем во 2 веке до нашей эры.
Водяные часы — первый программируемый компьютер
Исмаил аль-Джазари был изобретателем, ученым, инженером-механиком и математиком XII века. Он родился в Месопотамии (современный Ирак) и был придворным инженером вассальной династии Артукидов. Исмаила часто называют отцом робототехники за его механические устройства, поражающие воображение.
Возможно, его величайшим достижением были Водяные часы. Их отличала сложность конструкции, скоординированность действий систем и способность "перепрограммироваться" путем регулирования уровня воды в приводном механизме через определенные интервалы, чтобы отрегулировать длину светового дня в течение года. Устройство по праву можно считать первым в мире программируемым аналоговым компьютером.
"Паскалина" — предок процессора
Французский ученый Блез Паскаль, помимо прочего, внес большой вклад в развитие технологий с помощью "Паскалина", который считается первым в мире механическим арифметическим калькулятором. В 17 веке не было простого способа облегчить монотонность вычислений, и Паскаль взялся сделать это. Он разработал машину, которая могла бы складывать и вычитать механически с помощью колес и переключателей (умножение и деление также можно было выполнить путем сложения и вычитания).
Однако, в отличие от предыдущих механических калькуляторов, в устройстве Блеза функция переноса между 9 и 0 с одного колеса на следующее колесо была полностью автоматизирована, и это крайне важно, потому как данное нововведение теперь используется в работе центрального процессора современных ПК. А во времена Блеза Паскаля новая функция позволяла пользователю просто вводить числа и операцию, которую он хотел выполнить, и вычисления автоматически каскадировали значения от одного колеса к другому. Это, кстати, позволило изобретателю уменьшить прибор до функциональных размеров, чтобы его можно было использовать в офисах.
Аналитическая машина Бэббиджа — первый программируемый компьютер
В 1822 году английский математик Чарльз Бэббидж завершил первую версию своего самого известного изобретения — разностной машины. Это было устройство с механическим приводом, используемое для вычисления больших таблиц чисел с помощью математической техники, называемой методом конечных разностей (отсюда и название), которая использует только арифметическое сложение для вычислений.
Вскоре машиной заинтересовалось британское правительство, потому как устройство могло помочь в управлении империей. Правительство выделило Бэббиджу почти 18 тыс. фунтов стерлингов, или около $2 млн по сегодняшним меркам, на доработку машины. Но проект был заморожен. Сам изобретатель представил более продвинутую машину, которой, в итоге, посвятил, всю жизнь.
Как и его более ранняя разностная машина, новая аналитическая машина содержала сотни столбцов пронумерованных колес и шестеренок, которые могли содержать десятичные числа длиной до 40 цифр. Повернуть такое большое количество отдельных шестерен и колес с помощью ручного кривошипа, как это делалось ранее, было невозможно, поэтому Бэббидж решил приводить ее в действие при помощи парового двигателя. В итоге, аналитическая машина могла рассчитывать все, что можно было вычислить. В качестве входных данных использовались перфокарты, а результаты выводились на механический принтер. Также был предусмотрен запас внутренней памяти, объемом 16 КБ. Что еще важно — аналитическая машина могла программироваться с помощью перфокарт для выполнения условных операций ветвления и циклических операций с данными в своей памяти для создания новых цифр, которые затем можно было снова сохранить в памяти и использовать для определения правил манипулирования данными. Выходит, что машина Бэббиджа и была тем самым предшественником ранних компьютеров с перфокартами ENIAC и UNIVAC середины 20 века.
Рекомендуем ознакомиться с нашим материалом об инженере, запатентовавшем невероятные устройства.