Малая разностная машина. Биография чарльза бэббиджа

Чарльз был одним из четырёх детей у Бенджамина Бэббиджа и Бэтси Пламли. Его отец был банкиром и партнёром фирмы «Praed’s & Co», а также владельцем «Bitton Estate» в Тинмуте. В восемь лет его отослали в деревенскую школу в Альпингтоне, чтобы он оправился он угрожающей его здоровью лихорадки.

Учился в школах «King Edward VI Grammar School» в Южном Девоне, а после в «Holmwood academy» в Миддлсексе, под началом Преподобного Стивена Фримэна. Школьная библиотека привила ему любовь к математике.

Бэббидж оставил обучение в академии ради занятий с двумя частными преподавателями – священником из Кембриджа, у которого многому он не научился, и преподавателем из Оксфорда, который обучал Бэббиджа классическим знаниям. Бэббидж поступил в «Trinity College» в Кембридже в 1810 году. Со своими друзьями он основал «Аналитическое сообщество», «Клуб привидений», занимавшийся исследованием паранормальных явлений и клуб с названием «Щипцы» для амбулаторных больных психиатрических лечебниц. В 1912 году Бэббидж поступил в колледж святого Петра в Кембридже и, будучи самым лучшим математиком в учреждении, спустя два года получил степень без сдачи экзаменов, сумев одержать победу в дебатах на спорную тему.

Карьера

После окончания колледжа Бэббидж работал в различных местах, но почти не имел успеха. Он читал лекции по астрономии в Королевской ассоциации и в 1816 году получил должность действительного члена Британского научного Королевского общества.

В 1820 году при участии Бэббиджа было основано Астрономическое общество, члены которого обратились к Бэббиджу и его другу Гершелю с просьбой улучшить «Морской справочник» исправив ошибки в его таблицах. Именно это задание и привело его мысли к идее автоматизированных вычислений.

В 1822 году Бэббидж представил свой доклад «Замечания относительно применения машин к вычислению математических таблиц» в Астрономическом обществе, подкрепив доклад созданием малой разностной машины для вычисления таблицы квадратов.

В 1823 году, следуя рекомендации Королевского научного общества, Британское правительство проспонсировало создание разностной машины – автоматического механического калькулятора, созданного для сведения многочленов. Его друг и инженер Марк Брунел рекомендовал ремесленника Джозефа Клемента для создания механизма устройства.

Разностная машина не была построена из-за разногласий с Клементом по финансированию строительства. Вторая (большая) разностная машина не получила нужного финансирования от правительства и также не была завершена. Интересно, что в честь 200-летия со дня рождения Чарльза Бэббиджа, в период с 1989 по 1991 год, большая разностная машина
была сконструирована.

Вместе с другом и коллегой по колледжу, Джоном Гершелем, в 1825 году Бэббидж работал над магнетизмом вращения Араго и над возникающим вследствие феномена вопросом магнетизма. Их работа была взята за основу и расширена Майклом Фарадеем.

В 1826 году Бэббидж приобрёл таблицы смертности Джорджа Баретта, который умер так и не опубликовав свои работы. Используя за основу работу Баретта, Бэббидж опубликовал свою работу с названием «Сравнительный обзор различных систем страхования жизни».

Ему отказали в должности секретаря Королевского научного общества, несмотря на обещания. В 1826 году Бэббидж опубликовал схему погружной подводной лодки, запаса воздуха в которой хватало на четырёх человек на более чем два дня.

С 1828 по 1839 годы Бэббидж занимал почётную должность Лукасовского профессора математики в Кембридже, а также был избран почётным иностранным членом Американской академии искусств и наук.

Бэббидж дважды пытался попасть в парламент от округа Финсборо в 1830 году, но оба раза проиграл с минимальным отрывом. Его политические взгляды включали расширение выборного права и отделение государства от церкви.

В 1830 году Бэббидж публикует полемическую книгу «Размышления об упадке науки и некоторых причинах этого», что приводит к созданию Британской ассоциации содействия развитию науки.

В 1832 году Бэббидж опубликовал книгу «Экономика технологий и производств», которая была одной из первых работ на тему операционного исследования. «Принцип Бэббиджа» подразумевал разделение труда по уровню квалификации. Книгу «Ninth Bridgewater Treatise» Бэббидж опубликовал с заголовком «Благодаря силе, мудрости и доброте Божьей». Он обозначил своё представление о сотворении человека как то, в котором преобладают законы природы.

Бэббидж также занимался криптологией, и в разгар Крымской войны в 1850 году смог взломать шифр Виженера, но его работу признали военной тайной и поэтому она не стала достоянием общественности.

Основные работы

Бэббидж создал сложное устройство с названием «Аналитическая машина», которое использовалось для общих математических вычислений и которым управляли перфокартами. Устройство постоянно дорабатывали и изменяли с 1833 года и до смерти Бэббиджа.

В 1838 году Бэббидж изобрёл путеочиститель – металлическую раму, которая крепилась на локомотиве и убирала препятствия с пути следования. Он также разработал динамометр, который записывал пройдённые локомотивом километры.

Личная жизнь и наследие

В 1814 году Бэббидж женился на Джорджиане Витмур. Лишь четыре из восьми детей пары с именами Бенджамин Гершель, Джорджиана Витмор, Дугалд Бромхед и Генри Превост, дожили до совершеннолетия.

Джордж Бэббидж умер от почечной недостаточности в возрасте 79 лет и похоронен на кладбище Кенсал Грин в Лондоне.

В честь Бэббиджа назван кратер на Луне и локомотив, а также Институт Чарльза Бэббиджа – информационный технологический центр при университете Миннесоты.

Друг и поклонник Бэббиджа – Ада Лавлэйс – считается первым в мире программистом, так как она создала алгоритм действий для выполнения машиной.

Чарльз Бэббидж был одним из четырёх учёных, которые независимо друг от друга раскрыли секрет дендрохронологии или науки о кольцах деревьев. Но отцом дендрохронологии считается Эндрю Элликот Дуглас.

Оценка по биографии

Новая функция! Средняя оценка, которую получила эта биография. Показать оценку

Чарльз Бэббидж (1791-1871) - пионер создания вычислительной техники, который разработал 2 класса вычислительных машин - разностные и аналитические. Первый из них свое название получил благодаря математическому принципу, на котором основан - методу конечных разностей. Его красота заключается в исключительном использовании арифметического сложения без необходимости прибегать к умножению и делению, которые сложно реализовать механически.

Больше чем калькулятор

Разностная машина Бэббиджа представляет собой счетное устройство. Она оперирует числами единственным способом, на который способна, постоянно складывая их в соответствии с методом конечных разностей. Ее нельзя использовать для общих арифметических расчетов. Аналитическая же машина Бэббиджа гораздо больше, чем просто калькулятор. Она знаменует переход от механизированной арифметики к полномасштабным вычислениям общего назначения. На разных этапах эволюции идей Бэббиджа насчитывалось по меньшей мере 3 проекта. Поэтому на его аналитические машины лучше ссылаться во множественном числе.

Удобство и инженерная эффективность

Бэббиджа являются десятеричными устройствами в том смысле, что они используют 10 цифр от 0 до 9, и цифровыми потому, что оперируют только с целыми числами. Значения представлены шестернями, а каждому разряду отведено свое колесо. Если оно останавливается в промежуточном положении между целыми значениями, то результат считается неопределенным, а работа машины блокируется, чтобы показать нарушение целостности расчетов. Это является своеобразной формой обнаружения ошибок.

Бэббидж также рассматривал использование систем счисления, отличных от десятеричной, в т. ч. двоичной и с основанием 3, 4, 5, 12, 16 и 100. Он остановился на десятеричной по причине ее привычности и инженерной эффективности, поскольку благодаря ей значительно уменьшается количество движущихся частей.

Разностная машина №1

В 1821 г. Бэббидж начал разработки с механизма, предназначенного для расчета и табуляции полиномиальных функций. Автор описывает его как устройство для автоматического вычисления последовательности значений с автоматической печатью результатов в виде таблицы. Интегральной частью конструкции является принтер, механически связанный с расчетной секцией. Разностная машина №1 представляет собой первую полноценную конструкцию для автоматического выполнения расчетов.

Время от времени Бэббидж менял функциональные возможности устройства. Дизайн 1830 г. изображает машину, рассчитанную на 16 цифр и 6 порядков разности. Модель состояла из 25 тыс. частей, разделенных поровну между вычислительной секцией и принтером. Если бы устройство было построено, то весило бы, по оценкам, 4 т и имело бы высоту 2,4 м. Работа по созданию разностной машины Бэббиджа была остановлена в 1832 г., после спора с инженером Джозефом Клементом. Государственное финансирование окончательно прекратилось в 1842 г.

Аналитическая машина

Когда работа над разностным аппаратом застопорилась, в 1834 году Бэббидж задумал более амбициозное устройство, которое позже получило название аналитического универсального программируемого вычислительного механизма. Структурные свойства машины Бэббиджа во многом соответствуют основным блокам современного цифрового компьютера. Программирование производится с помощью перфокарт. Эта идея была заимствована у жаккардового ткацкого станка, где они служат для создания сложных текстильных узоров.

Логическая структура аналитической машины Бэббиджа в основном соответствует доминирующему дизайну компьютеров электронной эры, который подразумевает наличие памяти («магазина»), отделенной от центрального процессора («мельницы»), последовательное выполнение операций и средства для ввода и вывода данных и инструкций. Поэтому звание пионера вычислительной техники автор разработки получил вполне заслуженно.

Память и центральный процессор

У машины Бэббиджа есть «магазин», где хранятся числа и а также отдельная «мельница», где выполнялась арифметическая обработка. Она имела набор из 4 арифметических функций и могла выполнять прямое умножение и деление. Кроме того, устройство было способно производить операции, которые теперь получили названия условного разветвления, цикла (итерации), микропрограммирования, параллельной обработки, фиксации, формирования импульсов и т. п. Сам автор такую терминологию не использовал.

ЦПУ аналитической машины которое он называл «мельницей», обеспечивает:

• хранение чисел, операции над которыми производятся немедленно, в регистрах;
• имеет аппаратные средства для произведения с ними основных арифметических операций;
• передачу ориентированных на пользователя внешних инструкций в детальное внутреннее управление;
• систему синхронизации (такт) для выполнения инструкций в тщательно подобранной последовательности.

Механизм управления аналитической машины выполняет операции автоматически и состоит из двух частей: нижнего уровня, контролируемого массивными барабанами, называемыми бочками, и высокого уровня, использующего перфокарты, разработанными Жаккардом для ткацких станков, широко применявшихся в начале 1800-х годов.

Устройства вывода

Результат вычислений выводится различными способами, включая печать, перфокарты, построение графиков и автоматическое производство стереотипов - лотков из мягкого материала, на которых производится оттиск результата, способных служить формой для отливки пластин для печати.

Новая конструкция

Новаторскую работу над аналитической машиной Бэббидж в основном завершил к 1840 г. и начал разрабатывать новое устройство. В период с 1847 по 1849 год он закончил разработку разностной машины №2, представлявшей собой улучшенную версию оригинала. Эта модификация была рассчитана на операции с 31-разрядными числами и могла привести в табличную форму любой полином 7-го порядка. Дизайн был изящно простым и требовал лишь третью часть от количества деталей первоначальной модели, обеспечивая равную с ней вычислительную мощность.

В разностной и аналитической машинах Чарльза Бэббиджа использовалась одна и та же конструкция устройства вывода, которое не только делало распечатку на бумаге, но и автоматически создавало стереотипы и самостоятельно производило форматирование согласно заданному оператором макету страницы. При этом предусматривалась возможность настройки высоты строки, числа столбцов, ширины полей, обеспечивались автоматическое сворачивание строк или столбцов и расстановка пустых строк для удобства чтения.

Наследие

Помимо нескольких частично созданных механических сборок и тестовых моделей небольших рабочих секций, ни одна из конструкций не была реализована полностью в течение жизни Бэббиджа. Основная собранная в 1832 г. модель была 1/7 частью разностной машины №1, которая состояла примерно из 2 тыс. деталей. Она безупречно работает по сей день и является первым успешным автоматическим вычислительным устройством, которое реализует математические расчеты в механизме. Бэббидж умер, когда собиралась небольшая экспериментальная часть аналитической машины. Многие детали конструкции сохранились, как и полный архив чертежей и записок.

Проекты огромных механических вычислительных машин Бэббиджа считаются одним из потрясающих интеллектуальных достижений XIX века. Только в последние десятилетия его работа была детально изучена, и степень важности того, что он совершил, становится все более очевидной.

Сообщение о Чарльзе Бэббидже, известном английском математике, изобретателе первой аналитической вычислительной машины изложено в этой статье. Доклад Вы можете дополнить .

Чарльз Бэббидж краткая биография

Будущий ученый появился на свет 26 декабря 1791 года в пригороде Лондона (в современном городке Саутворк) в семье банкира. Юноша рано проявил интерес к математике, которую унаследовал от отца. Чарльз в октябре 1810 года поступает в колледж Кембриджа – Тринити и занимается изучением химии и математики. Однажды студент решил, что знает больше преподавателей, чем сильно их расстроил. Вместе со своими друзьями они создали клуб «Аналитическое общество», цель которого сделать мир намного мудрее и возродить изучение математики в стране. После колледжа Беббидж думал поступать в церковь, но ему не хватило финансов. Задумывался о горном деле, считая его потенциальным прибыльным предприятием, но вскоре отказался и от этой задумки.

Жизнь и деятельность Чарльза Бэббиджа была полностью посвящена математики. Он серьезно изучал алгебру и в период 1815 – 1820 годов написал много научных статей на тему теорий функции. По политическим взглядам он придерживался либерализма. Когда к власти пришли консерваторы, ученый не смог найти достойной работы. Он несколько раз пытался получить место профессора, но тщетно. Поэтому Чарльз продолжил заниматься своими исследованиями и изобретениями. Ему принадлежит создание офтальмоскопа, фонарика, приборов для измерения давления при движении поезда. Кроме того, он страсть как любил шифрования.

Чарльз Бэббидж основные достижения

Чарльз Бэббидж изобретения которого намного опередили свое время, всю свою жизнь посвятил изобретению машины, которая выполняла бы операции вычисления и выведения на печать математических таблиц без ошибок. В 1822 году математик спроектировал свою первую машину,– небольшое рабочее устройство, способное автоматически вычислять таблицы. Управляла она шестизначными числами и могла выражать любую функцию. Как называлась машина изобретенная Чарльзом Бэббиджем? Это была «Разносная машина №1».

Выступая 14 июня 1822 года перед астрономическим Королевским обществом, ученый предложил создать устройство в натуральную величину. И получил финансовую поддержку. Он хотел построить ее через 2-3 года, но как оказалось, что собрать все детали вместе намного сложнее. Последующие годы он занимался проектированием деталей машины, став одержимым этой идеей. Спустя пару лет, в 1834 году ученый создал элементы современного компьютера. Новое устройство получило название «Аналитическая машина». Если бы его удалось собрать, то это был бы первый компьютер. Инструкции по вычислению вводились бы через перфокарты, потом сохранялись на складе (в памяти) и могли повторно применяться при исчислениях.

Несмотря на неудачу с разностной машиной, Бэббидж в 1834 году задумался о создании программируемой вычислительной машины, которую он назвал аналитической (прообраз современного компьютера). В отличие от разностной машины, аналитическая машина позволяла решать более широкий ряд задач. Именно эта машина стала делом его жизни и принесла посмертную славу. Он предполагал, что построение новой машины потребует меньше времени и средств, чем доработка разностной машины, так как она должна была состоять из более простых механических элементов. С 1834 года Бэббидж начал проектировать аналитическую машину.

Архитектура современного компьютера во многом схожа с архитектурой аналитической машины. В аналитической машине Бэббидж предусмотрел следующие части: склад (store), фабрика или мельница (mill), управляющий элемент (control) и устройства ввода-вывода информации.

Склад предназначался для хранения как значений переменных, с которыми производятся операции, так и результатов операций. В современной терминологии это называется памятью.

Мельница (арифметико-логическое устройство, часть современного процессора) должна была производить операции над переменными, а также хранить в регистрах значение переменных, с которыми в данный момент осуществляет операцию.

Третье устройство, которому Бэббидж не дал названия, осуществляло управление последовательностью операций, помещением переменных в склад и извлечением их из склада, а также выводом результатов. Оно считывало последовательность операций и переменные с перфокарт. Перфокарты были двух видов: операционные карты и карты переменных. Из операционных карт можно было составить библиотеку функций. Кроме того, по замыслу Бэббиджа, Аналитическая машина должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования.

Для создания компьютера в современном понимании оставалось лишь придумать схему с хранимой программой, что было сделано 100 лет спустя Эккертом, Мочли и Фон Нейманом.

Бэббидж разрабатывал конструкцию аналитической машины в одиночку. Он часто посещал промышленные выставки, где были представлены различные новинки науки и техники. Именно там состоялось его знакомство с Адой Августой Лавлейс (дочерью Джорджа Байрона), которая стала его очень близким другом, помощником и единственным единомышленником. В 1840 году Бэббидж ездил по приглашению итальянских математиков в Турин, где читал лекции о своей машине. Луиджи Менабреа, преподаватель туринской артиллерийской академии, создал и опубликовал конспект лекций на французском языке. Позже Ада Лавлейс перевела эти лекции на английский язык, дополнив их комментариями по объёму превосходящими исходный текст. В комментариях Ада сделала описание ЦВМ и инструкции по программированию к ней. Это были первые в мире программы. Именно поэтому Аду Лавлейс справедливо называют первым программистом. Однако, аналитическая машина так и не была закончена. Вот, что писал Бэббидж в 1851 году: «Все разработки, связанные с Аналитической машиной, выполнены за мой счёт. Я провёл целый ряд экспериментов и дошёл до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы». Несмотря на то, что Бэббидж подробно описал конструкцию аналитической машины и принципы её работы, она так и не была построена при его жизни. Причин этому было много. Но основными стали полное отсутствие финансирования проекта по созданию аналитической машины и низкий уровень технологий того времени. Бэббидж не стал в этот раз просить помощи у правительства, так как понимал, что после неудачи с разностной машиной ему всё равно откажут.

Только после смерти Чарльза Бэббиджа его сын, Генри Бэббидж, продолжил начатое отцом дело. В 1888 году Генри сумел построить по чертежам отца центральный узел аналитической машины. А в 1906 году Генри совместно с фирмой Монро построил действующую модель аналитической машины, включающую арифметическое устройство и устройство для печатания результатов. Машина Бэббиджа оказалась работоспособной, но Чарльз не дожил до этих дней.

В 1864 году Чарльз Бэббидж написал: «Пройдёт, вероятно, полстолетия, прежде чем люди убедятся, что без тех средств, которые я оставляю после себя, нельзя будет обойтись». В своём предположении он ошибся на 30 лет. Только через 80 лет после этого высказывания была построена машина МАРК-I, которую назвали «осуществлённой мечтой Бэббиджа». Архитектура МАРК-I была очень схожа с архитектурой аналитической машины. Говард Айкен на самом деле серьёзно изучал публикации Бэббиджа и Ады Лавлейс перед созданием своей машины, причём его машина идеологически незначительно ушла вперёд по сравнению с недостроенной аналитической машиной. Производительность МАРК-I оказалась всего в десять раз выше, чем расчётная скорость работы аналитической машины.

История создания

Первая идея разностной машины была выдвинута немецким инженером Иоганном Мюллером в книге, изданной в 1788 году.

В период 1989 по 1991 год к двухсотлетию со дня рождения Чарльза Бэббиджа на основе его оригинальных работ в лондонском Музее науки была собрана работающая копия разностной машины № 2 . В 2000 году в том же музее заработал принтер, также придуманный Бэббиджем для своей машины. После устранения обнаруженных в старых чертежах небольших конструктивных неточностей, обе конструкции заработали безупречно. Эти эксперименты подвели черту под долгими дебатами о принципиальной работоспособности конструкций Чарльза Бэббиджа (некоторые исследователи полагают, что Бэббидж умышленно вносил неточности в свои чертежи, пытаясь таким образом защитить свои творения от несанкционированного копирования).

Аналитическая машина

Несмотря на то, что разностная машина не была построена её изобретателем, для будущего развития вычислительной техники главным явилось другое: в ходе работы у Бэббиджа возникла идея создания универсальной вычислительной машины , которую он назвал аналитической и которая стала прообразом современного цифрового компьютера . В единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство (названное им «мельницей»), регистры памяти , объединённые в единое целое («склад»), и устройство ввода/вывода, реализованное с помощью перфокарт трёх типов. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей данных из памяти в арифметическое устройство и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных в машину, так и для сохранения результатов вычислений, если памяти было недостаточно.

Влияние на культуру

В 1972 году Гарри Гаррисоном в стимпанк рассказе «A Transatlantic Tunnel, Hurrah!» была упомянута «компьютерная машина Брэббеджа, занимавшая почти четверть объема субмарины», использовавшаяся для анализа состояния тросов и регулирования их натяжения во время транспортировки строительных секций Трансатлантического туннеля, а также для калибровки курса «Наутилуса II».

В 1990 году Майклом Флинном был написан фантастический роман «В стране слепых» (англ. In the Country of the Blind ), в котором рассказывается о некой тайной организации, с помощью усовершенствованных аналитических машин Чарльза Бэббиджа математически рассчитывавшую возможное развитие событий и таким образом получившую возможность влиять на ход истории.

В 1992 году Брюсом Стерлингом и Уильямом Гибсоном написан фантастический роман в стилистике стимпанка «Машина различий» (англ. The Difference Engine ), где также описывается разностная машина .

В 2005 Джон Краули опубликовал книгу «Роман лорда Байрона». Это вымышленная история о находке и расшифровке рукописи единственного прозаического произведения Байрона - романа «Вечерняя земля». Чтобы спасти роман от уничтожения, дочь Байрона Ада Лавлейс зашифровала его так, чтобы прочитать текст могли только потомки с помощью счётных машин, восходящих к разностной машине Бэббиджа.

В онлайн-проекте Рука Ориона описываются созданные на основе идей Бэббиджа полностью разумные и автономные механические ИИ величиной с крупный астероид.

См. также

Литература

• Пер. с англ. К. Г. Батаев, ред. В. М. Курочкин. Знакомьтесь: компьютер = Understanding computers. - М .: Мир, 1989. - 240 с. - (Знакомство с компьютером). - ISBN 5-03-001147-1
• Doron Swade. The difference engine: Charles Babbage and the quest to build the first computer. - ISBN 0-670-91020-1

Ссылки

• Georgi Dalakov The calculating machines of Johann Helfrich Müller (англ.) . Архивировано из первоисточника 4 февраля 2012. Проверено 25 января 2012.
• Онлайн-выставка лондонского Музея науки (англ.)
• Модель первой разностной машины Чарльза Бэббиджа, собранная из элементов детского конструктора Meccano (англ.)
• Сборка разностной машины из элементов конструктора LEGO (англ.)