Шестерні замість чіпів: 5 найвідоміших механічних комп'ютерів у світі

Антикітерський механізм
Фото: habr.com

Від примітивного і колосального Стоунхенджа до програмованої аналітичної машини Беббіджа на паровому двигуні та з перфокартами: як працювали машини-прабатьки сучасної цифрової техніки.

Від акуратно розставлених каменів в Англії до точного розташування механічних шестерень у винаходах Блеза Паскаля і Чарльза Беббіджа — механічні комп'ютери співслужили гарну службу нашим предкам і допомогли їм не тільки вижити, але й досягти успіху в багатьох сферах. Про найцікавіших "прабатьків" сучасної обчислювальної техніки ми розповімо в цьому матеріалі.

Стоунхендж — найпростіший комп'ютер

На рівнині Солсбері на півдні Англії знаходяться 100 масивних каменів, які утворюють пару кілець, призначення яких втрачене для історії, але будівництво яких почалося до винаходу колеса і тривало не менше 1 500 років. Стоунхендж є однією з найзагадковіших пам'яток історії. Хоч би хто побудував його, той чітко розумів значення зимового сонцестояння в північній півкулі. Зимове сонцестояння (найкоротший день у році) в багатьох культурах вважається важливим поворотним моментом, після якого зима починає відступати, поступаючись місцем весні та літу. Зимове сонцестояння зазвичай вважається приводом для надії та оптимізму, і камені Стоунхенджа ідеально обрамляли призахідне сонце в день зимового сонцестояння, відзначаючи цей важливий момент. А під час літнього сонцестояння сонце з'являється прямо за П'ятковим каменем, що знаходяться поруч зі Стоунхенджем. Цікаво, що промені в цей момент проникають прямо в серце пам'ятника. Найдовший день в році в багатьох культурах відзначався святами. Ймовірно, стародавні люди теж збиралися біля цих каменів на бенкет.

Стоунхендж
Стоунхендж — кам'яний комп'ютер, який виконує два завдання

Можливо, скептики не побачать нічого спільного між Стоунхенджем і комп'ютером, але на базовому рівні він дійсно є обчислювальним апаратом дуже вузького призначення. Положення сонця протягом року щодо каменів-трилітонів двох кілець Стоунхенджа еквівалентно цифровим бітам у процесорі: сонце або сходить, або заходить між певним трилітоном, або ні. Це відповідає 1 або 0. Коли ви бачите цифру 1, ви знаєте, що настало сонцестояння; в іншому випадку ви спостерігаєте 0.

Нам здається дивним витрачати тисячоліття на створення аналогового комп'ютера з десятка масивних каменів вагою 40 т, просто щоб дізнатися, чи є сьогоднішній день одним із двох дуже специфічних днів у році. Але для древніх народів, які жили на території сучасної Англії, Стоунхендж мав велике значення.

Антикітерський механізм — комп'ютер для астрологів

На думку деяких дослідників, механізм Antikythera був розроблений для того, щоб люди могли краще розуміти, що відбувається в космосі. Механізм заведено вважати найстарішим із відомих механічних комп'ютерів. Він був знайдений у 1901 році на місці аварії корабля біля берегів грецького острова Антикітери. Вважається, що йому понад 2 000 років. Грецькі вчені датують пристрій між 205 р. до н.е. і 87 р. до н.е.

Корпусом йому слугував дерев'яний ящик. А за обчислення відповідали 37 бронзові шестерні. Якщо вірити написам, знайденим на пристрої, то вони являли собою механічну модель "всесвіту", тобто сонячної системи, враховуючи Юпітер і Сатурн.

Встановивши пару циферблатів на передній панелі та повернувши рукоятку збоку коробки, стародавні вчені могли "пересуватися" по єгипетському календарі та 12-ти знакам зодіаку, щоб подивитися яким буде розташування планет у певну дату. Сучасні вчені не вірять, що цей пристрій був унікальним для того часу. Складність налаштування механізму і представлена ним модель Всесвіту говорить про те, що цій моделі передували більш прості варіанти механічних комп'ютерів із більш вузьким набором завдань, а це означає, що такі пристрої могли використовуватися навіть раніше, ніж у 2 столітті до нашої ери.

Водяний годинник — перший програмований комп'ютер

Ісмаїл аль-Джазарі був винахідником, ученим, інженером-механіком і математиком XII століття. Він народився в Месопотамії (сучасний Ірак) і був придворним інженером васальної династії Аркудитів. Ісмаїла часто називають батьком робототехніки за його механічні пристрої, що вражають уяву.

Можливо, його найбільшим досягненням був Водяний годинник. Його відрізняла складність конструкції, скоординованість дій систем і здатність "перепрограмувати" шляхом регулювання рівня води в приводному механізмі через певні інтервали, щоб відрегулювати довжину світлового дня протягом року. Пристрій по праву можна вважати першим у світі програмованим аналоговим комп'ютером.

"Паскаліна" — предок процесора

Французький вчений Блез Паскаль, крім іншого, зробив великий внесок у розвиток технологій за допомогою "Паскаліна", який вважається першим у світі механічним арифметичним калькулятором. У 17 столітті не було простого способу полегшити монотонність обчислень, і Паскаль взявся зробити це. Він розробив машину, яка могла б додавати і віднімати механічно за допомогою коліс і перемикачів (множення і ділення також можна було виконати шляхом додавання і віднімання).

Однак, на відміну від попередніх механічних калькуляторів, у пристрої Блеза функція перенесення між 9 і 0 з одного колеса на наступне колесо була повністю автоматизована, і це вкрай важливо, тому що це нововведення тепер використовується в роботі центрального процесора сучасних ПК. А за часів Блеза Паскаля нова функція дозволяла користувачеві просто вводити числа й операцію, яку він хотів виконати, й обчислення автоматично каскадували значення від одного колеса до іншого. Це, до речі, дозволило винахіднику зменшити прилад до функціональних розмірів, щоб його можна було використовувати в офісах.

Аналітична машина Беббіджа — перший програмований комп'ютер

У 1822 році англійський математик Чарльз Беббідж завершив першу версію свого найвідомішого винаходу — різницевої машини. Це був пристрій з механічним приводом, що використовується для обчислення великих таблиць чисел за допомогою математичної техніки, званої методом кінцевих різниць (звідси і назва), яка використовує тільки арифметичне додавання для обчислень.

Незабаром машиною зацікавився британський уряд, тому що пристрій міг допомогти в управлінні імперією. Уряд виділив Беббіджу майже 18 тис. фунтів стерлінгів, або приблизно $2 млн за сьогоднішніми мірками, на доопрацювання машини. Але проєкт був заморожений. Сам винахідник представив більш просунуту машину, якій, зрештою, присвятив, усе життя.

Як і його більш рання різницева машина, нова аналітична машина містила сотні стовпчиків пронумерованих коліс і шестерень, які могли містити десяткові числа довжиною до 40 цифр. Повернути таку велику кількість окремих шестерень і коліс за допомогою ручного кривошипа, як це робилося раніше, було неможливо, тому Беббідж вирішив приводити її в дію за допомогою парового двигуна. Зрештою, аналітична машина могла розраховувати все, що можна було вирахувати. Як вхідні дані використовувалися перфокарти, а результати виводилися на механічний принтер. Також був передбачений запас внутрішньої пам'яті, об'ємом 16 КБ. Що ще важливо — аналітична машина могла програмуватися за допомогою перфокарт для виконання умовних операцій розгалуження і циклічних операцій з даними у своїй пам'яті для створення нових цифр, які потім можна було знову зберегти в пам'яті та використовувати для визначення правил маніпулювання даними. Виходить, що машина Беббіджа і була тим самим попередником ранніх комп'ютерів із перфокартами ENIAC і UNIVAC середини 20 століття.

Рекомендуємо ознайомитися з нашим матеріалом про інженера, який запатентував неймовірні пристрої.