Аналитическая машина

Часть счетной машины с печатающим механизмом аналитической машины, построенной Чарльзом Бэббиджем, выставленная в Музее науки (Лондон)

Аналитическая машина представляла собой предложенный цифровой механический компьютер общего назначения, разработанный английским математиком и пионером компьютеров Чарльзом Бэббиджем . Бэббиджа Впервые он был описан в 1837 году как преемник разностной машины , которая представляла собой конструкцию более простого механического калькулятора.

Аналитическая машина включала в себя арифметико-логический блок , поток управления в форме условного ветвления и циклов , а также интегрированную память , что делало ее первой конструкцией компьютера общего назначения, которую можно было бы описать в современных терминах как полную по Тьюрингу . Другими словами, структура аналитической машины была по существу такой же, как та, которая доминировала в компьютерном проектировании в электронную эпоху. Аналитическая машина — одно из самых успешных достижений Чарльза Бэббиджа.

Бэббидж так и не смог завершить строительство ни одной из своих машин из-за конфликтов со своим главным инженером и недостаточного финансирования. Лишь в 1941 году Конрад Цузе построил первый компьютер общего назначения Z3 , более чем через столетие после того, как Бэббидж предложил новаторскую аналитическую машину в 1837 году.

Дизайн

два типа перфокарт Для программирования машины используются . На переднем плане: «оперативные карты» для ввода инструкций ; фон: «карточки переменных», для ввода данных

Первой попыткой Бэббиджа создать механическое вычислительное устройство, « Разностную машину» , была машина специального назначения, предназначенная для табулирования логарифмов и тригонометрических функций путем оценки конечных разностей для создания аппроксимирующих полиномов . Строительство этой машины так и не было завершено; У Бэббиджа возникли конфликты со своим главным инженером Джозефом Клементом , и в конечном итоге британское правительство отозвало финансирование проекта.

В ходе этого проекта Бэббидж понял, что возможна гораздо более общая конструкция — аналитическая машина. Работы по созданию аналитической машины начались около 1833 года.

Входные данные, состоящие из программ («формул») и данных, должна была подаваться на машину через перфокарты , метод, который использовался в то время для управления механическими ткацкими станками, такими как жаккардовые ткацкие станки . Для вывода машина будет оснащена принтером, плоттером и звонком. Машина также сможет наносить числа на карты, чтобы их можно было прочитать позже. В нем использовалась обычная арифметика с основанием 10 и фиксированной запятой.

Должно было быть хранилище (то есть память), способное хранить 1000 чисел по 50 десятичных цифр. каждый (около 16,6 КБ ). Арифметическое устройство («мельница») сможет выполнять все четыре арифметические операции , а также сравнения и, при необходимости, извлечение квадратного корня . Первоначально (1838 г.) он был задуман как разностная машина, загнутая назад, обычно имеющая круглую форму, с длинным магазином, выходящим в одну сторону. Более поздние рисунки (1858 г.) изображают регуляризованную сетку. Подобно центральному процессору (ЦП) в современном компьютере, мельница будет полагаться на свои собственные внутренние процедуры, примерно эквивалентные микрокоду в современных ЦП, которые будут храниться в виде колышков, вставленных во вращающиеся барабаны , называемые «бочками», для переноса данных. некоторые из более сложных инструкций, которые может указать программа пользователя.

Язык программирования, используемый пользователями, был похож на современные языки ассемблера . Были возможны циклы и условное ветвление, и поэтому задуманный язык был бы Тьюринг-полным, как позже определил Алан Тьюринг . Использовались три разных типа перфокарт: одна для арифметических операций, одна для числовых констант и одна для операций загрузки и сохранения, переноса чисел из хранилища в арифметическую единицу или обратно. Для трех типов карт было три отдельных считывателя. Бэббидж разработал около двух десятков программ для аналитической машины между 1837 и 1840 годами и одну программу позже. Эти программы обрабатывают полиномы, итеративные формулы, метод исключения Гаусса и числа Бернулли .

В 1842 году итальянский математик Луиджи Федерико Менабреа опубликовал описание двигателя на французском языке. на основе лекций, которые Бэббидж прочитал во время своего визита в Турин в 1840 году. В 1843 году описание было переведено на английский язык и подробно аннотировано Адой Лавлейс , которая заинтересовалась двигателем восемью годами ранее. В знак признания ее дополнений к статье Менабреа, которая включала способ расчета чисел Бернулли с помощью машины (широко считающейся первой полной компьютерной программой), ее назвали первым компьютерным программистом .

Строительство

В конце своей жизни Бэббидж искал способы построить упрощенную версию машины и собрал небольшую ее часть перед своей смертью в 1871 году.

В 1878 году комитет Британской ассоциации содействия развитию науки назвал аналитическую машину «чудом механической изобретательности», но рекомендовал не создавать ее. Комитет признал полезность и ценность машины, но не смог оценить стоимость ее создания и не был уверен, будет ли машина правильно функционировать после постройки.

Завод по производству аналитических двигателей Генри Бэббиджа , построенный в 1910 году. в Музее науки (Лондон)

С перерывами с 1880 по 1910 гг. Сын Бэббиджа Генри Прево Бэббидж строил часть мельницы и печатный аппарат. В 1910 году он смог вычислить (ошибочный) список кратных пи . Это составляло лишь небольшую часть всего двигателя; он не был программируемым и не имел памяти. (Популярные изображения этой секции иногда неправильно маркируются, подразумевая, что это была вся мельница или даже весь двигатель.) «Аналитический двигатель» Генри Бэббиджа выставлен в Музее науки в Лондоне. Генри также предложил построить демонстрационную версию полноценного двигателя с меньшей емкостью: «возможно, для первой машины подойдет десять (колонн) по пятнадцать колес в каждой». Такая версия могла манипулировать 20 числами по 25 цифр каждое, и то, что ей можно было приказать делать с этими числами, по-прежнему могло быть впечатляющим. «Это только вопрос карт и времени», - писал Генри Бэббидж в 1888 году, «... и нет причин, по которым (двадцать тысяч) карт не следует использовать, если это необходимо, в аналитической машине для целей математика. ".

В 1991 году Лондонский музей науки построил полный и работающий образец разностной машины Бэббиджа № 2 , конструкцию, которая включала в себя усовершенствования, обнаруженные Бэббиджем во время разработки аналитической машины. Эта машина была построена с использованием материалов и технических допусков , которые были бы доступны Бэббиджу, что опровергло предположение о том, что конструкции Бэббиджа не могли быть произведены с использованием производственных технологий его времени.

В октябре 2010 года Джон Грэм-Камминг начал кампанию «План 28» по сбору средств по «публичной подписке», чтобы обеспечить возможность серьезного исторического и академического изучения планов Бэббиджа с целью создания и тестирования полностью работающего виртуального проекта, который затем будет в свою очередь, позволяют построить физическую аналитическую машину. По состоянию на май 2016 года попытки фактического строительства не предпринимались, поскольку из оригинальных проектных чертежей Бэббиджа еще не удалось получить четкого понимания. В частности, было неясно, сможет ли он обрабатывать индексированные переменные, необходимые для программы Бернулли Лавлейса. К 2017 году в рамках проекта «План 28» сообщалось, что доступна доступная для поиска база данных всех каталогизированных материалов и был завершен первоначальный обзор объемных книг Бэббиджа для каракулей.

Многие из оригинальных рисунков Бэббиджа были оцифрованы и общедоступны в Интернете.

Набор инструкций

План-схема аналитической машины 1840 г.

Неизвестно, что Бэббидж записал подробный набор инструкций для двигателя наподобие современного руководства по процессору. Вместо этого он показывал свои программы в виде списков состояний во время их выполнения, показывая, какой оператор запускался на каждом этапе, практически не указывая, как будет управляться поток управления.

Аллан Дж. Бромли предположил, что колоду карт можно читать в прямом и обратном направлениях как функцию условного ветвления после проверки условий, которые сделали бы машину Тьюринг-полной:

...картам можно было приказать двигаться вперед и назад (и, следовательно, зацикливаться)...

Введение в 1845 году впервые пользовательских операций для различных сервисных функций, включая, что наиболее важно, эффективную систему пользовательского контроля циклов в пользовательских программах. Нет указаний на то, как указано направление поворота рабочих и переменных карт. В отсутствие других доказательств мне пришлось принять минимальное допущение по умолчанию, что карты операций и переменных могут быть перевернуты только в обратном порядке, что необходимо для реализации циклов, используемых в примерах программ Бэббиджа. Не возникло бы никаких механических или микропрограммных трудностей при передаче направления движения под контроль пользователя.

В своем эмуляторе движка Fourmilab говорят:

Устройство чтения карточек Engine не ограничено простой обработкой карточек в цепочке одна за другой от начала до конца. Кроме того, он может, направляемый самими картами, которые он считывает, и в зависимости от того, активирован ли рычаг запуска Мельницы, либо продвигать цепочку карт вперед, пропуская промежуточные карты, либо назад, вызывая однократную обработку ранее прочитанных карт. снова.

Этот эмулятор предоставляет письменный набор символических команд, хотя он был создан его авторами, а не на основе оригинальных работ Бэббиджа. Например, программа факториала будет записана так:

N0 6
N1 1
N2 1
×
L1
L0
S1
–
L0
L2
S0
L2
L0
CB?11

где CB — это инструкция условного перехода или «комбинационная карта», используемая для перехода потока управления, в данном случае назад на 11 карт.

Влияние

влияние

Бэббидж понимал, что существование автоматического компьютера пробудит интерес к области, известной сейчас как алгоритмическая эффективность , и писал в своих «Отрывках из жизни философа» : «Как только появится аналитическая машина, она обязательно будет направлять будущий ход развития человечества». Всякий раз, когда с ее помощью ищут какой-либо результат, возникает вопрос: с помощью какого метода вычислений машина может получить эти результаты в кратчайшее время ?»

Информатика

С 1872 года Генри усердно продолжал работу своего отца, а затем в 1875 году периодически выходил на пенсию.

Перси Ладгейт написал о двигателе в 1914 году. и опубликовал свой собственный проект аналитической машины в 1909 году. Он был детально составлен, но так и не построен, а чертежи так и не были найдены. Двигатель Ладгейта будет намного меньше (около 8 кубических футов (230 л ), что соответствует кубу со стороной 2 фута (61 см)), чем двигатель Бэббиджа, и гипотетически будет способен умножать два числа из 20 десятичных цифр примерно на шесть. секунды.

В своей работе «Очерки по автоматике» (1914) Леонардо Торрес Кеведо , вдохновленный Бэббиджем, разработал теоретическую электромеханическую вычислительную машину, которой должна была управлять программа, доступная только для чтения. В статье также содержится идея арифметики с плавающей запятой . В 1920 году, чтобы отпраздновать 100-летие изобретения арифмометра , Торрес представил в Париже электромеханический арифмометр , который состоял из арифметического блока, подключенного к (возможно, удаленной) пишущей машинке, на которой можно было набирать команды и автоматически распечатывать результаты.

Ванневара Буша Статья «Инструментальный анализ» (1936) включала несколько ссылок на работы Бэббиджа. В том же году он начал проект «Быстрая арифметическая машина» для исследования проблем построения электронного цифрового компьютера.

Несмотря на эту основу, работа Бэббиджа осталась в исторической безвестности, а аналитическая машина была неизвестна создателям электромеханических и электронных вычислительных машин в 1930-х и 1940-х годах, когда они начали свою работу, что привело к необходимости заново изобрести многие архитектурные инновации Бэббиджа. сделал предложение. Говард Эйкен , создавший быстро устаревший электромеханический калькулятор Harvard Mark I в период с 1937 по 1945 год, хвалил работу Бэббиджа, вероятно, как способ повысить свой собственный авторитет, но ничего не знал об архитектуре аналитической машины во время создания Mark I. и считал свой визит к построенной части аналитической машины «величайшим разочарованием в своей жизни». Mark I не оказывал влияния на аналитический движок, и в нем отсутствовала самая дальновидная архитектурная особенность аналитического движка — условное ветвление . Дж. Преспер Эккерт и Джон В. Моучли также не были осведомлены о деталях работы Бэббиджа над аналитической машиной до завершения разработки первого электронного компьютера общего назначения, ENIAC .

с другими

Если бы аналитическая машина была создана, она была бы цифровой , программируемой и полной по Тьюрингу . Однако это было бы очень медленно. Луиджи Федерико Менабреа сообщил в «Наброске аналитической машины» : «Мистер Бэббидж считает, что с помощью своей машины он может образовать произведение двух чисел, каждое из которых содержит двадцать цифр, за три минуты». Для сравнения: Гарвардский Mark I мог выполнить ту же задачу всего за шесть секунд (хотя сомнительно, что компьютер является полным по Тьюрингу; ENIAC, который таковым является, также был бы быстрее). Современный процессор может сделать то же самое менее чем за миллиардную долю секунды.

Дополнительная информация: История вычислительной техники § Характеристики ранних цифровых компьютеров.

Имя	Первый оперативный	Система счисления	Вычислительный механизм	Программирование	Тьюринг завершен	Память
Разностный двигатель	Не строился до 1990-х годов (проект 1820-х годов).	Десятичный	Механический	Не программируемый; начальные численные константы полиномиальных разностей, заданные физически	Нет	Физическое состояние колес по осям
Аналитическая машина	Не построен (проект 1830-х гг.)	Десятичный	Механический	Программное управление с помощью перфокарт	Да (проект; еще не построен)	Физическое состояние колес по осям
Ладгейта Аналитическая машина	Не построен (проект 1909 г.)	Десятичный	Механический	Программное управление с помощью перфокарт	Да (не построен)	Физическое состояние стержней
Торреса Аналитическая машина	1920	Десятичный	Электромеханический	Не программируемый; настройки входа и выхода, заданные патч-кабелями	Нет	Механические реле
Цузе Z1 (Германия)	1939	Двоичная с плавающей запятой	Механический	Не программируемый; настройки ввода шифрования, заданные патч-кабелями	Нет	Физическое состояние стержней
Бомбе (Польша, Великобритания, США)	1939 г. ( польский ), март 1940 г. (британский), май 1943 г. (США).	символов Вычисления	Электромеханический	Не программируемый; настройки ввода шифрования, заданные патч-кабелями	Нет	Физическое состояние роторов
Цузе Z2 (Германия)	1940	Двоичная фиксированная точка	Электромеханический ( механическая память)	Программное управление с помощью перфорированной 35 мм пленки шириной (без условного перехода)	Нет	Физическое состояние стержней
Цузе Z3 (Германия)	май 1941 г.	Двоичная с плавающей запятой	Электромеханический	Программное управление с помощью перфорированной шириной 35 мм пленки (но без условного перехода)	В теории ( 1998 )	Механические реле
Компьютер Атанасова – Берри (США)	1942	Двоичный	Электронный	Не программируемый; ввод коэффициентов линейной системы с помощью перфокарт	Нет	Регенеративная конденсаторная память
Колосс Марк 1 (Великобритания)	декабрь 1943 г.	Двоичный	Электронный	Программное управление с помощью патч-кабелей и переключателей	Нет	Термоэмиссионные клапаны (вакуумные лампы) и тиратроны
Гарвард Mark I – IBM ASCC (США)	Май 1944 г.	Десятичный	Электромеханический	Программное управление с помощью 24-канальной перфоленты (но без условного перехода)	спорный	Механические реле
Колосс Марк 2 (Великобритания)	1 июня 1944 г.	Двоичный	Электронный	Программное управление с помощью патч-кабелей и переключателей	Предполагаемый
Цузе Z4 (Германия)	Март 1945 г. (или 1948 г.)	Двоичная с плавающей запятой	Электромеханический	Программное управление с помощью перфорированной шириной 35 мм. пленки	В 1950 году	Механические реле
ЭНИАК (США)	декабрь 1945 г.	Десятичный	Электронный	Программное управление с помощью патч-кабелей и переключателей	Да	Ламповые триодные триггеры
Манчестер Бэби (Великобритания)	Июнь 1948 г.	Двоичный	Электронный	Двоичная программа, введенная в память с помощью клавиатуры. (первый электронный цифровой компьютер с хранимой программой)	Да	Электронно-лучевая трубка Вильямса
ЭДСАК (Великобритания)	Май 1949 г.	Двоичный	Электронный	Пятибитный код операции и операнд переменной длины (первый компьютер с хранимой программой, предлагающий вычислительные услуги широкому сообществу).	Да	Линии задержки Меркурия

В популярной культуре

• Писатели киберпанки - Уильям Гибсон и Брюс Стерлинг стали соавторами стимпанковского романа об альтернативной истории под названием «Машина различий» , в котором различия и аналитические машины Бэббиджа стали доступны викторианскому обществу. В романе исследуются последствия и последствия раннего внедрения вычислительных технологий.
• Мориарти модема В рассказе Джека Нимершейма « » описывается альтернативная история, в которой аналитическая машина Бэббиджа действительно была завершена и британское правительство сочло ее строго засекреченной. Персонажи Шерлока Холмса и Мориарти на самом деле представляли собой набор прототипов программ, написанных для аналитической машины. Этот короткий рассказ рассказывает о Холмсе, когда его программа реализуется на современных компьютерах, и он вынужден снова конкурировать со своим врагом в современных аналогах аналитической машины Бэббиджа.

• Похожий сеттинг используется Сидни Падуа в веб-комиксе «Захватывающие приключения Лавлейс и Бэббиджа» . В нем рассказывается альтернативная история , в которой Ада Лавлейс и Бэббидж создали аналитическую машину и использовали ее для борьбы с преступностью по просьбе королевы Виктории . Комикс основан на тщательном исследовании биографий и переписки Бэббиджа и Лавлейс, которое затем искажается для достижения юмористического эффекта.
• В онлайн-проекте Orion 's Arm представлены Machina Babbagenseii , полностью разумные механические компьютеры, вдохновленные Бэббиджем. Каждый из них размером с большой астероид, способен выжить только в условиях микрогравитации и обрабатывает данные со скоростью 0,5% скорости человеческого мозга.
• Чарльз Бэббидж и Ада Лавлейс снимались в эпизоде ​​«Доктора Кто». S12 E2 «Шпионский водопад, часть 2». Где можно увидеть двигатель и указать на него ссылку.

Библиография

• Бэббидж, Чарльз (1864). «Глава VIII – Аналитическая машина» . Отрывки из жизни философа . Лондон: Лонгман, Грин, Лонгман, Робертс и Грин. стр. 112–141.
• Бэббидж, Чарльз (1889). Бэббидж, Генри П. (ред.). Вычислительные машины Бэббиджа - сборник статей, относящихся к ним; Их история и конструкция (PDF) . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1-108-00096-3 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 года . Проверено 24 декабря 2015 г.
• Бромли, Аллан Г. (июль – сентябрь 1982 г.). «Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа, 1838 год» (PDF) . IEEE Анналы истории вычислений . 4 (3): 197–217. дои : 10.1109/mahc.1982.10028 . S2CID   2285332 . Архивировано из оригинала (PDF) 14 мая 2015 года . Проверено 24 декабря 2015 г.
• Бромли, Аллан Г. (1990). «Разностные и аналитические машины». В Эспрее, Уильям (ред.). Вычисления до появления компьютеров (PDF) . Эймс: Издательство Университета штата Айова. стр. 59–98. ISBN  978-0-8138-0047-9 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года.
• Бромли, Аллан Г. (октябрь – декабрь 2000 г.). «Планы 28 и 28a аналитической машины Бэббиджа - Интерфейс программиста». IEEE Анналы истории вычислений . 22 (4): 5–19. дои : 10.1109/85.887986 . S2CID   17597243 .
• Коэн, И. Бернард (2000). «8 - Опыт Эйкена в области вычислений и знание машин Бэббиджа». Говард Эйкен: Портрет пионера компьютерной техники . Кембридж: MIT Press. стр. 61–72. ISBN  9780262531795 .
• Кольер, Брюс (1970). Маленькие двигатели, которые могли бы: вычислительные машины Чарльза Бэббиджа (доктор философии). Гарвардский университет . Проверено 18 декабря 2015 г.
• Грин, Кристофер Д. (2005). «Была ли аналитическая машина Бэббиджа задумана как механическая модель разума?» (PDF) . История психологии . 8 (1): 35–45. дои : 10.1037/1093-4510.8.1.35 . ПМИД   16021763 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года . Проверено 25 декабря 2015 г.
• Хайман, Энтони (1982). Чарльз Бэббидж: Биография . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  9780198581703 .
• Менабреа, Луиджи Федерико ; Лавлейс, Ада (1843). «Очерк аналитической машины, изобретенной Чарльзом Бэббиджем... с примечаниями переводчика. Перевод Ады Лавлейс» . В Ричарде Тейлоре (ред.). Научные мемуары . Том. 3. Лондон: Ричард и Джон Э. Тейлор. стр. 666–731.
• Рэнделл, Брайан (октябрь – декабрь 1982 г.). «От аналитической машины к электронному цифровому компьютеру: вклад Ладгейта, Торреса и Буша» (PDF) . IEEE Анналы истории вычислений . 4 (4): 327–341. дои : 10.1109/mahc.1982.10042 . S2CID   1737953 . Архивировано из оригинала (PDF) 21 сентября 2013 года.
• Рохас, Рауль (январь – март 2021 г.). «Компьютерные программы Чарльза Бэббиджа». IEEE Анналы истории вычислений . 43 (1): 6–18. дои : 10.1109/MAHC.2020.3045717 . S2CID   232149889 .
• Уилкс, Морис Винсент (1971). «Бэббидж как пионер компьютеров». Учеб. Встреча памяти Бэббиджа . Лондон: Британское компьютерное общество. стр. 415–440.

Внешние ссылки

• Документы Бэббиджа , архив Музея науки.
• Аналитическая система Fourmilab включает исторические документы и онлайн-моделирования.
• «Изображение «Генерального плана великой вычислительной машины Бэббиджа» (1840 г.), а также современное описание особенностей работы и программирования» . Архивировано из оригинала 21 августа 2008 года.
• Изображение более позднего плана аналитической машины с сеткой (1858 г.)
• Первая работающая «бочка» Бэббиджа собрана, около 2005 г.
• Специальный выпуск, IEEE Annals of the History of Computing , том 22, номер 4, октябрь – декабрь 2000 г. (требуется подписка)
• Бэббидж , Музей науки, Лондон (в архиве)
• «Удивительная аналитическая машина – как она работает» . 2D-очки . 31 мая 2015 г. Архивировано из оригинала 26 ноября 2021 г. Проверено 23 августа 2017 г.
• План 28: Создание аналитической машины Чарльза Бэббиджа