Путешествие в историю математики - Свечников А. А. 1995

Машины с «высшим образованием»

В конце XVIII в. в результате полу­векового поиска в Англии были созданы прядильные и ткацкие станки. С тех пор в наиболее раз­витых странах началось бурное развитие ткацкого производства. Развитие ткачества вызвало к жизни двигатель, а появление ме­ханических паровых двигателей способствовало развитию горнодобывающей промышленности.

Жаккардов ткацкий станок. В1801 г. французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар создал машину для выработки крупноузорчатых тканей. Для управления нитями в нем применялись специальные карты с отверстиями.

Так, создание первых машин при­вело к промышленному переворо­ту и вызвало быстрый прогресс техники и науки.

Дальнейшее развитие промыш­ленности потребовало строитель­ства крупных зданий, развития транспортных средств и создания быстродействующих механизмов. Для осуществления этого нужно было выполнять много сложных и точных расчетов. Чтобы облег­чить и тем самым ускорить труд счетных работников, стали изоб­ретать приборы, таблицы, счет­ные машины. Первые действу­ющие счетные машины были да­леки от совершенства, а практи­ка, наука и техника требовали ус­корять выполнение расчетов. Изобретатели стали учить маши­ны считать быстрее: поставили на них моторы, заставили записы­вать и запоминать результаты вы­числений, усовершенствовали управляющие устройства и пр. Постепенно счетные машины ста­ли совершеннее, значительно вы­росло их быстродействие. Но жизнь требовала еще больших скоростей, так как количество вычислений росло не по дням, а по часам. Ведь только при расче­те прогноза погоды на завтраш­ний день требуется ежедневно выполнять около трех миллионов математических операций, т. е. столько, что их не успевает вы­полнить за рабочий день коллек­тив в 1000 человек. А, например, при запуске ракеты, чтобы выпра­вить отклонение при ее полете, нужно производить многочислен­ные сложные расчеты почти мгно­венно. Вот почему потребовались счетные машины, которые могли бы выполнять в секунду тысячи операций с числами по заранее составленной программе, в кото­рой указывается, какие действия и в каком порядке нужно выпол­нить.

В 1833 г. английский математик и естествоиспытатель, инженер и изобретатель Чарлз Беббидж (1791 — 1871) приступил к разра­ботке проекта и постройке такой механической быстродейству­ющей программирующей вычи­слительной машины. По замыслу, она должна была по команде автоматически определять последовательность операций в зави­симости от произведенных ранее вычислений. В отличие от ариф­мометров она должна была рабо­тать по заранее составленной программе, которая представля­ла собой полосу картона с проби­тыми в ней отверстиями, т. е. пер­фокарту.

Машина для автоматизации вычислений — аналитическая машина Чарлза Беббиджа.

Чарлз Беббидж.

Дочь знаменитого английского поэта Джорджа Байрона Ада Лав­лейс (1815 — 1852), обладавшая незаурядными способностями к математике, узнав о работе Ч. Беббиджа по созданию автомати­ческой вычислительной машины, серьезно заинтересовалась его идеями. Она разработала ряд важных положений по составле­нию программ для будущей маши­ны и опубликовала первую статью по теории программирова­ния. Многие ее мысли и предло­жения сохранили свое значение и в современном программирова­нии. Леди Лавлейс по праву счита­ют основоположником теории программирования.

В продолжение 15 лет на рабо­ты Ч. Беббиджа по созданию изобретенной машины было из­расходовано 20 000 фунтов стер­лингов. Затем английское прави­тельство прекратило отпуск средств. Работа по созданию вы­числительной машины была оста­новлена. Однако главная причина прекращения работ по созданию машины была не в средствах, а в низком уровне развития науки и техники того времени.

Основополагающие принципы работы электронно-вычислитель­ной машины были высказаны в 1937 г. физиком Джоном Винсен­том Атанасовым (1903 — 1995) — болгарином по происхождению, проживавшим в США. Он предло­жил применить двоичную систему счисления и использовать ком­бинации схем из электронных ламп — конденсаторов и реле.

Лишь в 1945 г. физикам Дж. Мо­кли и Дж. Эккерту удалось скон­струировать и построить первую в мире электронно-вычислитель­ную машину, названную ЭНИАК. Она могла рассчитывать только таблицы для артиллерийской стрельбы.

В нашей стране в 1950 г. была создана и начала действовать ма­лая ЭВМ. Коллективом инжене­ров и ученых под руководством академика С. А. Лебедева (1902 — 1974) была создана и стала рабо­тать БЭСМ-1 (большая электрон­ная счетная машина). Она работа­ла на электронных лампах (их бы­ло около 4000 шт.) и выполняла в секунду 5000 математических действий. БЭСМ-1 в то время бы­ла лучшей в Европе, но при рабо­те требовала очень много электроэнергии, часто останавлива­лась от перегрева ламп и занима­ла много места. Изобретатели на­чали поиски путей совершенство­вания машины; в результате были построены БЭСМ второго, треть­его и более позднего поколения. Они работают по заранее состав­ленной программе.

Первая в мире универсальная электронная вычислительная машина ЭНИАК.

Программу для компьютера (ЭВМ) разрабатывает програм­мист. Он вносит в нее все необхо­димые данные и указывает после­довательность действий, кото­рые должна выполнить машина. В программе обязательно надо ука­зать, как поступить с полученным при вычислениях результатом — запомнить его, а затем включить в операцию на последующем эта­пе или использовать в ближайшей операции.

Составленную программу за­кладывают (вводят) в машину, и после команды ЭВМ автомати­чески выполняет все указания, предусмотренные в программе, и в кратчайший срок выдает окон­чательный результат на экране ЭВМ (его называют дисплеем) или в виде отпечатанного на ма­шинке текста. Невероятное быст­родействие ЭВМ позволяет бук­вально в считанные доли секунд найти и дать поправку, например, для уточнения пути полета уже запущенной ракеты.

По своим способностям совре­менные ЭВМ — это машины-бога­тыри в сравнении с БЭСМ-1.

Современные ЭВМ (компьюте­ры) независимо от того, являются они персональными или пред­ставляют целый комплекс единой системы программно-совмести­мых ЭВМ, работают по предло­женной им заранее подготовлен­ной программе или отдельным ко­мандам. Все они:

1) быстро и безошибочно производят вычисления;

2) запоминают и классифици­руют нужные данные, как число­вые, так и текстовые;

3) выбирают, какие действия и в какой последовательности вы­полнять в зависимости от полу­ченного результата в предше­ствующем расчете, т. е., проверив результат выполнения заданного условия, автоматически опреде­ляют, что следует делать дальше в соответствии с программой или поданной командой;

4) повторяют многократно или один-два раза некоторую задан­ную серию команд;

5) находят в памяти и исполь­зуют в нужном месте различные сведения, необходимые при вы­полнении заданной программы;

6) записывают, печатают на бумаге или показывают на экране (дисплее) результат выполнения всей программы или каждой ее части.

Первые ЭВМ работали на электронных лампах. В машины второго и третьего поколения бы­ли вставлены транзисторы. А бо­лее современные компьютеры действуют на интегральных схе­мах.

Для создания интегральных схем используют тончайшую пленку из кремния. На нее в виде пылинок наносят особые веще­ства, которые превращают пла­стинку кремния в сложную элект­ронную схему. Спрессовав ряд та­ких пластинок, получают кри­сталл — большую интегральную схему. Интегральная схема — ма­ленький кубик (1 — 2 мм³) — спо­собна заменить многие тысячи электронных ламп в сочетании с другими деталями. Большие инте­гральные схемы (кристаллы) кремния могут управлять работой машин, приборов и выполнять разнообразные вычисления. Эти схемы, называемые микропроцес­сорами, — основной элемент ком­пьютера.

Современные ЭВМ, или ком­пьютеры, по своим размерам не­велики (уже существуют компью­теры не больше печатной машин­ки), но имеют большую скорость действия. Значительно увеличи­лась их память, они выдают ин­формацию в виде печатного тек­ста или высвечивают ее на экране дисплея.

ЭВМ находят широкое примене­ние в промышленности, управле­нии хозяйством, в обучении и бы­ту, они используются при состав­лении географических карт, при определении залежей полезных ископаемых, расчете прогнозов погоды, разработке графиков движения на транспорте, обеспе­чении пассажиров билетами и т. д. ЭВМ переводят книги, рас­шифровывают древние тексты, управляют самолетами, ракета­ми, электростанциями, многочи­сленными станками и машинами, рассчитывают полеты космичес­ких кораблей, выполняют многие другие работы.